CN114923405A - 一种通过范德华外延法探测薄膜挠曲电效应的装置及方法 - Google Patents

一种通过范德华外延法探测薄膜挠曲电效应的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种通过利用云母基氧化膜的范德华外延法探测薄膜挠曲电效应的装置及方法，该装置包括云母衬底、以云母衬底通过范德华外延法生长的薄膜材料、上下表面电极、位移端、信号采集器、固定端，其中薄膜材料与上下表面电极紧密连接，薄膜材料与电极以范德华外延法生长在云母衬底上，位移端在材料上表面电极上施加位移输出电荷，信号采集器输出端与电极连接。此种方式与传统的刚性薄膜衬底相比，柔性云母衬底与薄膜材料间以范德华力连接，没有刚性夹持作用，可以更好的探究薄膜材料的挠曲电效应。

Description

一种通过范德华外延法探测薄膜挠曲电效应的装置及方法
技术领域
本发明涉及材料科学中薄膜的力电耦合技术领域，具体涉及一种通过范德华外延法探测薄膜挠曲电效应的装置及方法。
背景技术
挠曲电效应描述的非均匀形变在材料中产生应变梯度诱导电极化的现象。作为一种特殊的力电耦合效应，具有不受材料对称性限制、不受材料居里温度限制及尺寸效应等特点，广泛存在于液晶、生物材料、介质材料中。目前挠曲电效应已经在智能材料力学力量传感、光电转化、俘能等领域开辟了新的研究领域。挠曲电效应具有尺寸效应，在微纳米尺寸上异常显著，在某些特殊场合下如电荷运输、电畴转向、缺陷控制等方面具有主导作用。现阶段在薄膜领域，挠曲电效应的研究已经得到重大突破，作为一种柔性材料因其变形能力大往往能形成较大的应变梯度因而成为潜在的挠曲电器件选择。但是薄膜由于其尺寸较小、刚性低，只能利用溅射的方式生长在衬底上。直接测量薄膜的挠曲电系数是一个具有挑战性和很大程度上尚未解决的问题，因为衬底的干涉会刚性地夹住薄膜，并在弯曲时产生净应变和应变梯度。
发明内容
为了解决薄膜生长在衬底上导致不均匀应变梯度的问题，本发明的目的在于通过一种利用云母基氧化膜的范德华外延法探测薄膜挠曲电效应的装置及方法，可以通过改善薄膜与衬底之间的键合方式使材料获得均匀的应变梯度，反映材料的真实挠曲电效应。
为达到以上目的，本发明采取如下的技术方案：
一种通过范德华外延法探测薄膜挠曲电效应的装置，包括云母衬底、以云母衬底通过范德华外延法生长的薄膜材料、上下表面电极、位移端、信号采集器、固定端，其中薄膜材料与上下表面电极紧密连接，薄膜材料与电极以范德华外延法生长在云母衬底上，位移端在材料上表面电极上施加位移输出电荷，信号采集器输出端与电极连接。
进一步的，通过薄膜材料与云母衬底之间的接触为范德华力。
进一步的，以云母衬底通过范德华外延法生长的薄膜材料形成的云母薄膜材料体系在弯曲状态下中沿厚度方向的应变不连续，使得云母薄膜材料存在两个中性面。
进一步的，以云母衬底作为基地相比于其他材料，弯曲效果薄膜材料在中性面以上承受拉伸，中性面以下则承受压缩，使得应变梯度在厚度方向上均匀分布。
上述的一种通过范德华外延法探测薄膜挠曲电效应的装置，其探测薄膜挠曲电效应的方法包括：
通过云母衬底上生长的薄膜材料，二者之间的连接方式为范德华力接触，薄膜材料在位移端上施加位移，因云母衬底与薄膜材料在被施加位移时会产生两个中性面，故薄膜材料在厚度方向上产生的是均匀的应变梯度而诱导薄膜材料内部产生极化；极化电荷通过电极由信号采集器测量显示；由于薄膜材料处于三点弯曲状态，位移端控制的位移w(L)表征，薄膜材料中心与固定端的距离为x，薄膜材料的总长度为L，因此薄膜材料内部产生的应变梯度表示为：
Figure BDA0003588055790000021
根据挠曲电的定义：
Figure BDA0003588055790000022
其中极化强度表示为:
Figure BDA0003588055790000023
其中Q是信号采集器测量显示的电荷量，A是电极面积，P为极化强度，μ13为横向挠曲电系数；利用公式(2)即可计算薄膜的挠曲电系数。
本发明和现有技术相比，具有以下优点：
1)本发明相比于以往衬底，通过薄膜材料与云母衬底之间的连接为范德华力，可以有效的剔除衬底与材料之间刚性连接产生的夹持作用。
2)薄膜在受到弯曲作用时，在薄膜和衬底之间会产生两个中性面，使得薄膜在厚度层面受到均匀的应变梯度，因此反映出薄膜真实的挠曲电效应。
3)本发明第一次从衬底角度剔除了应变梯度不均匀导致压电性等其他因素的干扰,为获取薄膜材料的真实挠曲电效应提供了重要的解决思路。
本发明首次提出在云母衬底上利用范德华外延法生长薄膜的方法，来探究薄膜材料的真实挠曲电效应，为探究薄膜在挠曲电领域的研究提供了重要的解决办法。
附图说明
图1为本发明的方法示意图；
图2为本发明的测试装置结构示意图；
图3为BTO薄膜为例分别生长在云母与STO上的挠曲电系数随温度变化图。
图示说明：1、电极；2、薄膜材料；3、云母衬底；4、范德华外延层；5、位移端；6、信号采集器；7、固定端。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的解释。
如图2所示，一种通过范德华外延法探测薄膜挠曲电效应的装置，包括云母衬底3、以云母衬底3通过范德华外延法生长的薄膜材料2、上下表面电极1、位移端5、信号采集器6、固定端7，其中薄膜材料2与上下表面电极1紧密连接，薄膜材料2与电极1以范德华外延法生长在云母衬底3上，位移端5在材料上表面电极1上施加位移输出电荷，信号采集器6输出端与电极1连接。
如图1所示，一种通过范德华外延法探测薄膜挠曲电效应的方法示意图，包括电极1、薄膜材料2、云母衬底3、范德华外延层4，其中薄膜材料2以范德华外延生长在云母衬底上3，图中共有两种状态下的示意图，分别是正常状态和受到弯曲状态。正是由于范德华外延层的作用下，可以剔除薄膜材料2和云母衬底3之间因刚性连接产生的夹持作用。因此在受到弯曲作用时，在薄膜材料2和云母衬底3之间会产生两个中性面，使得薄膜材料2在厚度方向受到均匀的应变梯度，因此可以真实反应薄膜材料2的真实挠曲电效应。
如图2所示，上述的通过范德华外延法探测薄膜挠曲电效应的装置，其探测薄膜挠曲电效应的方法为：通过云母衬底3上生长的薄膜材料2，二者之间的连接方式为范德华力接触，位移端5在电极1上施加位移使得整体结构发生弯曲，因云母衬底3与薄膜材料2在被施加位移时会产生两个中性面，故薄膜材料2在厚度方向上产生的是均匀的应变梯度而诱导薄膜材料内部产生极化。极化电荷通过电极1由信号采集器6测量显示。由于薄膜处于三点弯曲状态，如图2所示，位移端5控制的位移w(L)表征，薄膜材料2中心与固定端7的距离为x，薄膜的总长度为L，因此薄膜内部产生的应变梯度可以表示为：
Figure BDA0003588055790000041
根据挠曲电的定义：
Figure BDA0003588055790000042
其中极化强度可以表示为:
Figure BDA0003588055790000043
其中Q是信号采集器6测量显示的电荷量，A是电极面积，P为极化强度，μ13为横向挠曲电系数。利用公式(2)即可计算薄膜的挠曲电系数。图3为BTO分别生长在云母衬底与STO衬底上的挠曲电系数温谱图。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种通过范德华外延法探测薄膜挠曲电效应的装置，其特征在于：包括云母衬底、以云母衬底通过范德华外延法生长的薄膜材料、上下表面电极、位移端、信号采集器、固定端，其中薄膜材料与上下表面电极紧密连接，薄膜材料与电极以范德华外延法生长在云母衬底上，位移端在材料上表面电极上施加位移输出电荷，信号采集器输出端与电极连接。
2.根据权利要求1所述的一种通过范德华外延法探测薄膜挠曲电效应的装置，其特征在于：通过薄膜材料与云母衬底之间的接触为范德华力。
3.根据权利要求1所述的一种通过范德华外延法探测薄膜挠曲电效应的装置，其特征在于：以云母衬底通过范德华外延法生长的薄膜材料形成的云母薄膜材料体系在弯曲状态下中沿厚度方向的应变不连续，使得云母薄膜材料存在两个中性面。
4.根据权利要求3所述的一种通过范德华外延法探测薄膜挠曲电效应的装置，其特征在于：以云母衬底作为基地，弯曲效果薄膜材料在中性面以上承受拉伸，中性面以下则承受压缩，使得应变梯度在厚度方向上均匀分布。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的一种通过范德华外延法探测薄膜挠曲电效应的装置，其探测薄膜挠曲电效应的方法包括：
通过云母衬底上生长的薄膜材料，二者之间的连接方式为范德华力接触，薄膜材料在位移端上施加位移，因云母衬底与薄膜材料在被施加位移时会产生两个中性面，故薄膜材料在厚度方向上产生的是均匀的应变梯度而诱导薄膜材料内部产生极化；极化电荷通过电极由信号采集器测量显示；由于薄膜材料处于三点弯曲状态，位移端控制的位移w(L)表征，薄膜材料中心与固定端的距离为x，薄膜材料的总长度为L，因此薄膜材料内部产生的应变梯度表示为：
Figure FDA0003588055780000011
根据挠曲电的定义：
Figure FDA0003588055780000012
其中极化强度表示为:
Figure FDA0003588055780000013
其中Q是信号采集器测量显示的电荷量，A是电极面积，P为极化强度，μ13为横向挠曲电系数；利用公式(2)即可计算薄膜的挠曲电系数。
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