2020年6月7日，習近平總書記致信祝賀哈工大建校100周年，為學校新百年發(fā)展指明了前進方向，提供了根本遵循。在收到習近平總書記賀信即將五周年之際，哈爾濱工業(yè)大學深圳校區(qū)官微陸續(xù)推出“這五年”系列報道，展現(xiàn)校區(qū)五年來的發(fā)展變化及校區(qū)師生奮發(fā)作為、追求卓越的生動實踐。今天，讓我們來看陳祖煌教授、魏軍教授團隊在高性能柔性電子器件開發(fā)領域取得重要研究進展的報道——

近日，深圳校區(qū)前沿學部材料科學與工程學院陳祖煌教授、魏軍教授團隊在壓電單晶薄膜領域取得重要進展，研究成果以《基于自支撐鐵電氧化物薄膜的超高功率密度柔性壓電能量收集器》（Ultrahigh-power-density flexible piezoelectric energy harvester based on freestanding ferroelectric oxide thin films）為題發(fā)表于《自然通訊》（Nature Communications）。該研究為高性能柔性電子器件的開發(fā)提供了重要技術(shù)范式，為鐵電單晶薄膜在可穿戴能源領域發(fā)展的新思路。

作為鈣鈦礦鐵電材料的典型代表，鋯鈦酸鉛（PbZr0.52Ti0.48O3）憑借其卓越的鐵電與壓電特性，已成為工業(yè)應用最廣泛的壓電材料體系。然而，該材料本征的剛性特征與其在柔性電子器件應用需求之間的矛盾始終未能有效解決。為了解決這一問題，研究者經(jīng)常將其與柔性有機材料構(gòu)成納米片等柔性復合材料、使用柔性基底制備多晶薄膜或者機械剝離單晶塊體獲得柔性薄膜。然而，復合材料和受襯底應力限制的多晶薄膜會極大程度地損失壓電性能，而機械剝離工藝不僅制備難度大，且獲得的膜層厚度較厚，使得其雖然一定程度上獲得了柔韌性，但在柔性電子的應用方面嚴重受限。

針對上述問題，團隊利用晶體取向調(diào)控和水刻蝕犧牲層技術(shù)解除襯底應力，在（111）取向的自支撐鋯鈦酸鉛（PbZr0.52Ti0.48O3）單晶薄膜中獲得了585皮米每伏（pm/V）的高壓電系數(shù)，并通過疇壁動力學分析和同步輻射、高分辨透射電鏡等技術(shù)揭示了自支撐薄膜中高壓電性的物理機制。此外，使用兼?zhèn)涓邏弘娦院透呷嵝缘模?11）取向的自支撐鋯鈦酸鉛（PbZr0.52Ti0.48O3）單晶薄膜制備的柔性壓電能量收集器能夠在超過3.4%的大應變下實現(xiàn)輸出，經(jīng)60000次的循環(huán)后保持輸出穩(wěn)定，其輸出電壓可達12伏特（V），輸出功率密度達到創(chuàng)紀錄的63.5毫瓦每立方厘米（mW/cm3）。采集到的電能經(jīng)整流存儲后，可以直接用于商用電子設備供電，標志著自支撐單晶薄膜技術(shù)向?qū)嵱没~出關(guān)鍵一步。

自支撐鋯鈦酸鉛薄膜的晶體取向調(diào)控策略與器件設計原理

剛性與自支撐鋯鈦酸鉛薄膜電學性能比較，自支撐薄膜獲得了壓電性提升

基于（111）取向薄膜的柔性壓電能量收集器的電學性能

團隊突破傳統(tǒng)鐵電薄膜因基底約束導致壓電性能顯著衰減的技術(shù)瓶頸，通過晶體取向精準調(diào)控與水溶性犧牲層工藝協(xié)同創(chuàng)新，成功制備出兼具高壓電特性與優(yōu)異柔性的自支撐鋯鈦酸鉛（PbZr0.52Ti0.48O3）單晶薄膜，基于該材料構(gòu)建的柔性壓電能量收集器展現(xiàn)出超高輸出功率密度，其壓電性能已逼近塊體單晶理論值。該研究不僅為開發(fā)高性能自支撐單晶壓電/鐵電薄膜提供了新的策略，還通過原型器件驗證了此類材料在柔性可穿戴設備、智能傳感系統(tǒng)等新領域廣闊的應用前景和巨大的產(chǎn)業(yè)化潛力。

哈工大深圳校區(qū)為論文第一完成單位，哈工大深圳校區(qū)博士研究生任忠琪、北京科技大學鄧世清教授、哈工大深圳校區(qū)碩士研究生邵俊達為論文共同第一作者。魏軍教授和陳祖煌教授為論文通訊作者。