超薄 BiFeO₃薄膜压电性能实现四倍跃升

在压电材料领域，铅基材料长期占据性能优势，但环保性与高温应用的局限性，以及无铅材料微型化过程中的性能衰减难题，一直是行业研发的核心痛点。近日，中国科学院金属研究所的一项最新研究为这一难题提供了全新解决方案 —— 其科研团队在超薄 BiFeO₃薄膜中实现应变诱导亚稳相极化旋转驱动的压电增强，相关成果于 2026 年 3 月 13 日发表于《Science Advances》杂志，这不仅是铁电材料尺寸效应研究的重要突破，更将为微型化 MEMS、柔性电子器件等高端仪器设备的研发注入新动能。

BiFeO₃晶体作为室温单相多铁材料，凭借无铅强自发极化、高居里温度的独特优势，成为石化工业高温传感探测等场景的理想压电材料候选者，契合当前仪器设备领域绿色化、高温化的发展趋势。但在实际应用中，这款材料的短板却十分突出：其一，压电系数仅为铅基材料的几十分之一，能量转换效率难以满足高端器件需求；其二，当薄膜厚度低于 30 纳米时，界面弛豫与相不稳定性引发的 “尺寸效应” 会导致压电耦合性能急剧衰退，而微型化、集成化正是当前 MEMS 器件等仪器设备的核心发展方向。如何在超薄尺度下调控 BiFeO₃薄膜的极化特性，成为突破无铅压电材料应用瓶颈的关键。

中科院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心材料显微科学研究部的科研团队，将研究重心放在界面应变调控这一核心技术路径上，通过精密仪器与创新工艺的结合，实现了材料性能的颠覆性提升。团队采用脉冲激光沉积技术 —— 这一以成分保真度高、可原子级调控薄膜厚度为优势的物理气相沉积技术，在 LaAlO₃衬底上高质量外延生长出 (BiFeO₃/Ca₀.₉₆Ce₀.₀₄MnO₃)₄多层异质结。相较于传统单层薄膜制备，多层异质结的结构设计为界面应变的精准调控提供了基础，而脉冲激光沉积技术的高精度，更是保障了异质结的晶格匹配与生长质量，这也是后续材料性能突破的工艺前提。

为探明多层膜中 BiFeO₃层的性能演变规律，团队运用像差校正透射电子显微镜、原子尺度极化分析技术，并结合定量压电测量技术（IDS-PFM）开展了多维度表征分析。实验发现，多层膜中 BiFeO₃层的晶格和极化参数随厚度的变化，与单层薄膜存在显著差异。当单层 BiFeO₃厚度精准控制在 16 个单胞层时，材料中出现了一种全新的低对称性过渡相（S 相），其内部极化矢量发生明显旋转，正是这一结构变化驱动了压电性能的大幅提升 —— 经 IDS-PFM 技术测量，该状态下材料的压电系数达到 30 pm/V，约为普通菱方相（R 相）BiFeO₃薄膜的四倍，一举突破了传统 BiFeO₃薄膜压电系数偏低的瓶颈。

团队并未止步于单一性能突破，而是系统揭示了超薄 BiFeO₃薄膜的相演变规律：在 8 至 20 个单胞层的厚度范围内，材料体系依次呈现出周期性 R/T 混合相 - T/S 混合相 - S/R 混合相的完整演化过程。结合相场理论模拟验证，研究人员发现，实验中观测到的 S 相与高密度纳米畴形成协同效应，进一步强化了压电性能，这一发现明确了过渡相在优化超薄 BiFeO₃薄膜压电性能中的核心作用，也为后续材料厚度与性能的精准调控提供了理论依据。

从仪器设备行业发展的视角来看，这项研究的价值远不止于材料性能的提升，更在于其为无铅压电材料的微型化应用搭建了全新技术框架。当前，MEMS 器件、柔性电子器件正朝着更小体积、更高集成度、更优环境适应性发展，而传统无铅压电材料在超薄尺度下的性能衰减问题，一直是制约其在微型器件中应用的关键障碍。中科院金属所的研究团队创造了在超薄 BiFeO₃薄膜中集成周期性极化旋转的全新策略，不仅解决了 “尺寸效应” 带来的性能衰退难题，更实现了无铅压电材料在超薄尺度下的性能跃升，这意味着绿色环保的无铅压电材料有望真正应用于微型化 MEMS 器件、柔性电子器件的设计与研发，为高端仪器设备的核心部件升级提供了新的材料选择。

同时，这项研究也彰显了精密仪器设备在材料科学研究中的核心支撑作用。从脉冲激光沉积技术对多层异质结的高精度制备，到像差校正透射电子显微镜的原子尺度观测，再到 IDS-PFM 技术的定量压电测量，一系列高端仪器设备的协同应用，成为实现材料结构表征、性能测量、规律探索的基础。这也从侧面印证了，材料技术与仪器设备技术的协同发展，是推动高端制造领域不断突破的核心动力。