Clamping enables enhanced electromechanical responses in antiferroelectric thin films

夹紧 材料科学 薄膜 反铁电性 智能材料 光电子学 纳米技术 铁电性 机械工程 电介质 工程类
作者
Hao Pan,Menglin Zhu,Ella Banyas,Louis Alaerts,Megha Acharya,Hongrui Zhang,Jiyeob Kim,Xianzhe Chen,Xiaoxi Huang,Michael Xu,Isaac Harris,Zishen Tian,Francesco Ricci,Brendan Hanrahan,Jonathan E. Spanier,Geoffroy Hautier,James M. LeBeau,Jeffrey B. Neaton,Lane W. Martin
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:23 (7): 944-950 被引量:39
标识
DOI:10.1038/s41563-024-01907-y
摘要

Thin-film materials with large electromechanical responses are fundamental enablers of next-generation micro-/nano-electromechanical applications. Conventional electromechanical materials (for example, ferroelectrics and relaxors), however, exhibit severely degraded responses when scaled down to submicrometre-thick films due to substrate constraints (clamping). This limitation is overcome, and substantial electromechanical responses in antiferroelectric thin films are achieved through an unconventional coupling of the field-induced antiferroelectric-to-ferroelectric phase transition and the substrate constraints. A detilting of the oxygen octahedra and lattice-volume expansion in all dimensions are observed commensurate with the phase transition using operando electron microscopy, such that the in-plane clamping further enhances the out-of-plane expansion, as rationalized using first-principles calculations. In turn, a non-traditional thickness scaling is realized wherein an electromechanical strain (1.7%) is produced from a model antiferroelectric PbZrO3 film that is just 100 nm thick. The high performance and understanding of the mechanism provide a promising pathway to develop high-performance micro-/nano-electromechanical systems.
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