PZT等柔性氧化物铁电薄膜及其全无机柔性电子器件的研究

Oxide ferroelectric films such as PbZr1-xTixO3 (PZT) have been widely used in piezoelectric sensors, infrared detectors and memories; however it is necessary to prepare micrometer-scale flexible oxide films with enhanced piezoelectric properties to satisfy the requirements of all-inorganic flexible electronics and wearable devices. In this project, we will study flexible piezoelectric films (e.g. PZT) and their miniature piezoelectric sensors as follows. (1) Ferroelectric single-crystal films are grown on SrTiO3 substrate and then the flexible self-supporting films are achieved through peeling hard substrate. Besides, flexible polycrystalline ferroelectric films are grown on micrometer-thick mica or gold foil. (2) We will study ferroelectric, piezoelectric and dielectric properties of self-supporting free-standing films without clamping effect from their hard substrate, study the dependence of domains and other microstructure on bending strain of flexible ferroelectric films, and then study the stability and reliability of the repeative bending film. (3) We will study how electric properties cease to be effective during the piezoelectric sensors bending repeatedly, and then study how to avoid sensors breaking during bending. (4) The high-quality piezoelectric sensors and the corresponding electronic skin will be prepared with flexible ferroelectric film, and they will monitor body movement, heart rate, blood pressure and other human health information.

PZT等钙钛矿氧化物铁电薄膜已经在压电传感、红外探测和信息存储等领域获得了广泛应用，柔性电子器件和可穿戴设备的发展对铁电薄膜及其元器件提出了柔性弯曲、微纳尺度和高灵敏度的新需求。本课题拟研究PZT等柔性弯曲氧化物铁电薄膜及其全无机柔性电子器件，具体内容包括：(1)在SrTiO3基片上制备单晶铁电膜，通过剥离基片获得自支撑柔性单晶铁电膜；在柔性弯曲云母和金箔等基片上制备柔性多晶铁电薄膜。(2)研究无基片自支撑铁电薄膜在消除基片钳制效应之后的压电、铁电和介电等物性；研究柔性铁电膜在不同弯曲应变条件和在重复弯曲过程中的铁电压电性能稳定性和可靠性。(3)研究铁电薄膜敏感元件在弯曲应变下失效机制，研究敏感元件在机械弯曲过程中的断裂机制并设计相应的解决方案。(4)基于柔性压电薄膜制备柔性可弯曲的压电传感器及其电子皮肤等柔性电子器件，用于采集人体运动、心率、血压等生命健康信息。

“PZT等柔性氧化物铁电薄膜及其全无机柔性电子器件的研究”项目围绕柔性钙钛矿氧化物薄膜的制备及其柔性电子器件开展研究如下七个方面的研究工作。第一，在DyScO3基片上生长了具有a1、a2面内畴和c畴的Pb(Zr0.1Ti0.9)O3铁电薄膜，发现应力可以通过挠曲电效应翻转铁电畴，通过应力和电场都可以调控Pb(Zr0.1Ti0.9)O3薄膜中的铁弹畴精细结构。第二，在云母基片上制备了Ag-ITO/Bi3.25La0.75Ti3O12/ITO结构的柔性透明的高性能铁电存储器件，该器件读写时间约10ns、读写次数超过一亿次、以3毫米半径弯曲1万次后无损伤、可见光透光率高于80%、支持“电写光读”功能。第三，在云母基片上制备了SrRuO3/Hf0.5Zr0.5O2/Au结构的柔性耐高温抗辐射铁电存储器件，柔性超薄Hf0.5Zr0.5O2薄膜同时具有优异的压电性能。第四，在云母基片上通过范德华外延方法生长了(111) SrRuO3/BiFeO3薄膜，研制了柔性铁电光伏器件。第五，通过剥离云母等硬质基片获得柔性自支撑的氧化物薄膜，并将该薄膜转移到预拉伸的超弹性基片上，采用形成褶皱的方式获得柔性可拉伸氧化物薄膜。第六，系统分析了制备柔性钙钛矿氧化物薄膜及其微电子器件的典型方法、优缺点和适用范围。第七，发现MAPbX3卤素钙钛矿单晶具有巨大的光致伸缩效应，通过改变光强，该单晶的光致伸缩可以从几百皮米到几微米连续变化；通过在单晶表面添加反射镜，可以制备光路可调的高精度光驱动致动器。目前发表SCI论文28篇(中科院1区论文7篇)，其中柔性铁电薄膜及其应用的综述论文目前引用超过100次，申请国家发明专利9项(其中授权专利5项)。培养了博士生11名（毕业4名），硕士研究生14名(毕业10名)。总之，本项目圆满完成了原定的研究目标。