原子喷涂技术推动材料科学转型，实现更环保的技术

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　　研究人员开发了一种称为“原子喷涂”的技术，该技术使用分子束外延对铌酸钾进行应变调节，从而增强其铁电特性。这种方法允许精确操纵材料属性，在绿色技术、量子计算和航空航天中具有潜在应用。材料应变调整

　　科学家如何精确调整材料的性能以适应高级应用？根据宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的一个团队的研究，答案在于使材料的原子结构变得紧张。他们发现，铌酸钾（先进电子学中的一种关键材料）的“原子喷涂”可以对薄膜特性进行特殊控制。他们的研究结果发表在《先进材料》（Advanced Materials）杂志上，可能为消费电子、医疗设备和量子计算领域的绿色技术铺平道路。

　　这种技术被称为应变调节，通过拉伸或压缩材料的原子晶胞（形成其晶体结构的原子的重复排列）来改变材料的特性。该团队使用了分子束外延（MBE），这是一种将原子层沉积到衬底上以形成薄膜的方法。使用这种方法，他们成功地以非常高的精度生产了应变调整的铌酸钾薄膜。

　　材料工程的新方法

　　宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程教授、该研究的通讯作者Venkatraman Gopalan说：“这是第一次使用MBE种植铌酸钾，这种技术就像在表面上喷涂原子。”

　　据研究人员称，这种新颖的MBE技术与用作衬底模板的晶体相结合产生了调整材料所需的应变。

　　“这种方法允许薄膜中的原子适应底层衬底的原子结构，从而产生应变，”合著者、材料科学与工程博士生Sankalpa Hazra说，“即使是大约1%的微小延伸也会产生压力，而这种压力是无法通过简单地从外部拉动或压迫如此脆的材料来实现的。从铁电的角度来看，这种压力可以显著改善材料的工作原理。”

　　铁电特性和应用

　　铌酸钾是铁电体，或者是一类具有自然电极化的材料，可以通过施加外部电场来反转，就像磁铁具有可以用外部磁场翻转的磁极化一样。

　　Gopalan说：“铁电体有点像一个迷你电池，自然界已经永久充电，尽管铁电体不是家喻户晓的名字，但在我们日常生活中认为理所当然的关键技术中无处不在。例如，互联网依赖于将电信号转换为光信号，这是由铁电晶体执行的。当施加外部电场时，这些材料可以反转其极性，这一质量也使它们对于超声设备、红外摄像机和高级微型设备的精密致动器等设备至关重要。”

　　为了在这项研究中“喷涂”铌酸钾，Gopalan求助于宾夕法尼亚州立大学的前同事Darrell Schlom，他目前是康奈尔大学材料科学与工程系的教授。他们在美国国家科学基金会资助的界面材料加速实现、分析和发现平台（PARADIM）薄膜生长设施中培育薄膜，Schlom在康奈尔大学共同指导该设施。Schlom指出，大约20年前，他和Gopalan都在宾夕法尼亚州立大学工作，研究了有史以来第一次铁电材料的应变调谐。

　　应变工程的影响

　　Schlom解释说，应变工程的工作原理是将两种尺寸略有不同的材料分层。想象一下，将原子雨点落到由相同类型的原子组成但间距略有不同的表面上。如果要添加的图层足够薄，它将略微拉伸或压缩以匹配其下方的表面。间距的微小变化会在材料中产生应变，类似于橡皮筋在拉动时拉伸的方式。这种应变由表面上原子的大小和间距控制，是导致材料特性发生变化的原因，例如提高其温度限制或提高其铁电性能。

　　“与其他铁电体相比，铌酸钾的应变和极化之间的耦合强度更高，这提供了一个独特的机会，其中相对少量的应变可以导致铁电结构及其极化的巨大调整，”Hazra说，“这种卓越的应变灵敏度的一个主要结果是，铌酸钾的铁电性能可以显著增强，甚至超过钛酸铅或锆钛酸铅，它们被认为是器件应用的工业标准铁电水平。”

　　环境和实际影响

　　Hazra说，演示铌酸钾的应变调节特别值得注意，因为铌酸钾不含铅。虽然铅会引起人类毒性和环境问题，但最好的铁电材料（如钛酸铅和锆钛酸铅）往往包含铅。如果没有应变调谐，铌酸钾的铁电性能往往不如其铅对应物强，但Hazra说，目前的研究表明铌酸钾作为一种坚固、环保和安全的铁电材料的潜力。

　　根据Hazra的说法，研究团队还发现，即使在高温下，应变调谐铌酸钾的铁电性能也保持稳定。通常，铁电材料在加热时会失去极化，这意味着它们不再能够切换电荷。

　　“我们的工作已经证明，施加应变可以提高材料失去铁电特性的温度，”Gopalan说。“更令人印象深刻的是，只需 1%的应变，我们就可以将温度推高到975 开尔文以上，这接近材料开始降解的程度。”

　　未来方向和应用

　　接下来，研究人员需要克服他们所说的实际应用的“严重障碍”：在硅上生长这些薄膜，硅被广泛用于电子行业。Gopalan的团队还致力于通过微调薄膜生长过程来改善材料的电气性能。这将使应变调谐的铌酸钾能够在实际设备中使用，例如用于航空航天应用的高温内存存储、量子计算和更环保的高科技设备。

　　“随着进一步开发，这种新型材料可能会成为下一代绿色、高性能技术的关键参与者，这些技术会影响从我们的个人设备到太空探索的方方面面。”Gopalan说。 （逸文）

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