摘要：科学家们如何精确地调整材料的特性以适应先进的应用？根据宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的一个团队的研究，答案在于对材料的原子结构进行拉伸。他们发现铌酸钾的“原子喷涂” —— 一种先进电子产品的关键材料 —— 允许对薄膜特性进行特殊的控制。他们的研究结果发表在《先

研究人员开发了一种称为“原子喷涂”的技术，利用分子束外延对铌酸钾进行应变调谐，增强其铁电性能。

这种方法可以精确地操纵材料特性，在绿色技术、量子计算和太空探索中具有潜在的应用前景。

材料应变调谐

科学家们如何精确地调整材料的特性以适应先进的应用？根据宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的一个团队的研究，答案在于对材料的原子结构进行拉伸。他们发现铌酸钾的“原子喷涂” —— 一种先进电子产品的关键材料 —— 允许对薄膜特性进行特殊的控制。他们的研究结果发表在《先进材料》杂志上，可能为消费电子、医疗设备和量子计算领域的绿色技术铺平道路。

这种技术被称为应变调谐，通过拉伸或压缩其原子单元胞（形成晶体结构的原子重复排列）来改变材料的特性。该团队使用了分子束外延（MBE），这是一种将原子层沉积在衬底上以形成薄膜的方法。利用这种方法，他们成功地以惊人的精度生产了一种应变调谐的铌酸钾薄膜。

材料工程中的新方法

宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程教授、该研究的通讯作者Venkatraman“Venkat”Gopalan说：“这是第一次使用MBE种植铌酸钾。这项技术就像在表面上喷涂原子。”

根据研究人员的说法，这种新型的MBE技术 —— 与作为衬底模板的晶体相结合 —— 产生了调整材料所需的应变。

“这种方法允许薄膜中的原子根据底层衬底的原子结构进行调整，从而产生应变，”共同作者、材料科学与工程博士候选人Sankalpa Hazra说。“即使是1%的微小拉伸也会产生压力，这是不可能通过简单地从外部拉或按压这种脆性材料来实现的。从铁电的角度来看，这种压力可以显著改善材料的工作方式。”

铁电性质及其应用

铌酸钾是铁电的，或者是一类具有自然电极化的材料，可以通过施加外部电场来逆转，就像磁铁具有可以在外部磁场中翻转的磁极化一样。

“铁电体有点像一个迷你电池，已经被大自然永久充电了，”Gopalan说。尽管铁电体不是一个家喻户晓的名字，但在我们日常生活中习以为常的关键技术中，铁电体无处不在。例如，互联网依赖于将电信号转换为光信号，这是由铁电晶体完成的。当施加外部电场时，这些材料可以逆转其电极性，这一特性也使它们对超声波设备、红外摄像机和先进微型设备的精密执行器等设备至关重要。”

合作研究与开发

为了在研究中“喷涂”铌酸钾，Gopalan求助于宾夕法尼亚州立大学的前同事Darrell Schlom，他目前是康奈尔大学材料科学与工程系的Tisch大学教授。他们在美国国家科学基金会资助的加速实现、分析和发现界面材料平台（PARADIM）薄膜生长设施中生长薄膜，Schlom是康奈尔大学的联合主任。Schlom指出，大约20年前，他和Gopalan都曾在宾夕法尼亚州立大学研究过铁电材料的首次应变调谐。

Schlom说：“我们的任务是帮助Venkat和Sankalpa实现几十年来梦寐以求的材料。三十年前，Venkat在康奈尔大学做博士期间合成了这种材料的无张力薄膜，所以他知道培养这种材料有多么具有挑战性。为了这项工作，我帮助他们种植这种材料。”

应变工程的影响

Schlom解释说，应变工程是通过将两种尺寸略有不同的材料分层来实现的。想象一下，原子像雨点一样落在由相同类型的原子组成的表面上，但间距略有不同。如果添加的层足够薄，它会稍微拉伸或压缩以匹配其下面的表面。间距的微小变化会在材料中产生张力，类似于橡皮筋在被拉时拉伸的方式。这种由表面原子的大小和间距控制的应变导致了材料性能的变化，比如提高了它的温度极限或改善了它的铁电性能。

Hazra说：“与其他铁电体相比，铌酸钾中应变和极化之间的耦合强度更高，这为相对少量的应变可以导致铁电结构及其极化的巨大调谐提供了独特的机会。”“这种优越的应变灵敏度的一个主要结果是，铌酸钾的铁电性能可以显著提高，甚至超过钛酸铅或锆酸铅钛酸铅，这被认为是设备应用的铁电性工业标准水平。”

环境及实际影响

Hazra说，证明铌酸钾的应变调节特别值得注意，因为铌酸钾是无铅的。虽然铅引起了人体毒性和环境问题，但最好的铁电材料 —— 如钛酸铅和锆钛酸铅 —— 往往含有铅。如果没有应变调整，铌酸钾的铁电性能往往不如铅的同类产品那么强，但Hazra说，目前的研究表明，铌酸钾作为一种强大、环保和安全的铁电材料的潜力。

根据Hazra的说法，研究小组还发现应变调谐铌酸钾的铁电性能即使在高温下也保持稳定。通常，铁电材料在加热时失去极化，这意味着它们不再能够转换电荷。

“在我们的工作中，我们已经证明施加应变可以提高材料失去铁电特性的温度，”Gopalan说。“更令人印象深刻的是，只需1%的应变，我们就可以将温度提高到975开尔文以上，这接近于材料开始降解的点。”

未来发展方向及应用

接下来，研究人员需要克服他们所谓的实际应用的“严重障碍”：在硅上生长这些薄膜，硅广泛用于电子工业。Gopalan的团队还致力于通过微调薄膜生长过程来改善材料的电性能。这将使应变调谐铌酸钾能够在实际设备中使用，例如用于太空探索的高温存储器、量子计算和更环保的高科技设备。

“随着进一步的发展，这种新型材料可能成为下一代绿色高性能技术的关键角色，影响从个人设备到太空探索的一切，”Gopalan说。

来源：前沿前端与编程