[發(fā)明專利]一種通過范德華外延法探測薄膜撓曲電效應(yīng)的裝置及方法

有效

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• 申請日: 2022-04-09
• 公開（公告）號: CN114923405B
• 公開（公告）日: 2023-07-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 舒龍龍;王支國;柯善明;張振;舒勝文;饒鄭剛;李純純
• 申請（專利權(quán)）人: 南昌大學(xué)
• 主分類號: G01B7/16
• 分類號: G01B7/16;G01R31/00;G01N3/20;C30B23/02;C30B29/22
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 王煥巧

本發(fā)明公開了一種通過利用云母基氧化膜的范德華外延法探測薄膜撓曲電效應(yīng)的裝置及方法，該裝置包括云母襯底、以云母襯底通過范德華外延法生長的薄膜材料、上下表面電極、位移端、信號采集器、固定端，其中薄膜材料與上下表面電極緊密連接，薄膜材料與電極以范德華外延法生長在云母襯底上，位移端在材料上表面電極上施加位移輸出電荷，信號采集器輸出端與電極連接。此種方式與傳統(tǒng)的剛性薄膜襯底相比，柔性云母襯底與薄膜材料間以范德華力連接，沒有剛性夾持作用，可以更好的探究薄膜材料的撓曲電效應(yīng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及材料科學(xué)中薄膜的力電耦合技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種通過范德華外延法探測薄膜撓曲電效應(yīng)的裝置及方法。

背景技術(shù)

撓曲電效應(yīng)描述的非均勻形變在材料中產(chǎn)生應(yīng)變梯度誘導(dǎo)電極化的現(xiàn)象。作為一種特殊的力電耦合效應(yīng)，具有不受材料對稱性限制、不受材料居里溫度限制及尺寸效應(yīng)等特點，廣泛存在于液晶、生物材料、介質(zhì)材料中。目前撓曲電效應(yīng)已經(jīng)在智能材料力學(xué)力量傳感、光電轉(zhuǎn)化、俘能等領(lǐng)域開辟了新的研究領(lǐng)域。撓曲電效應(yīng)具有尺寸效應(yīng)，在微納米尺寸上異常顯著，在某些特殊場合下如電荷運輸、電疇轉(zhuǎn)向、缺陷控制等方面具有主導(dǎo)作用。現(xiàn)階段在薄膜領(lǐng)域，撓曲電效應(yīng)的研究已經(jīng)得到重大突破，作為一種柔性材料因其變形能力大往往能形成較大的應(yīng)變梯度因而成為潛在的撓曲電器件選擇。但是薄膜由于其尺寸較小、剛性低，只能利用濺射的方式生長在襯底上。直接測量薄膜的撓曲電系數(shù)是一個具有挑戰(zhàn)性和很大程度上尚未解決的問題，因為襯底的干涉會剛性地夾住薄膜，并在彎曲時產(chǎn)生凈應(yīng)變和應(yīng)變梯度。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決薄膜生長在襯底上導(dǎo)致不均勻應(yīng)變梯度的問題，本發(fā)明的目的在于通過一種利用云母基氧化膜的范德華外延法探測薄膜撓曲電效應(yīng)的裝置及方法，可以通過改善薄膜與襯底之間的鍵合方式使材料獲得均勻的應(yīng)變梯度，反映材料的真實撓曲電效應(yīng)。

為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采取如下的技術(shù)方案：

一種通過范德華外延法探測薄膜撓曲電效應(yīng)的裝置，包括云母襯底、以云母襯底通過范德華外延法生長的薄膜材料、上下表面電極、位移端、信號采集器、固定端，其中薄膜材料與上下表面電極緊密連接，薄膜材料與電極以范德華外延法生長在云母襯底上，位移端在材料上表面電極上施加位移輸出電荷，信號采集器輸出端與電極連接。

進(jìn)一步的，通過薄膜材料與云母襯底之間的接觸為范德華力。

進(jìn)一步的，以云母襯底通過范德華外延法生長的薄膜材料形成的云母薄膜材料體系在彎曲狀態(tài)下中沿厚度方向的應(yīng)變不連續(xù)，使得云母薄膜材料存在兩個中性面。

進(jìn)一步的，以云母襯底作為基地相比于其他材料，彎曲效果薄膜材料在中性面以上承受拉伸，中性面以下則承受壓縮，使得應(yīng)變梯度在厚度方向上均勻分布。

上述的一種通過范德華外延法探測薄膜撓曲電效應(yīng)的裝置，其探測薄膜撓曲電效應(yīng)的方法包括：

通過云母襯底上生長的薄膜材料，二者之間的連接方式為范德華力接觸，薄膜材料在位移端上施加位移，因云母襯底與薄膜材料在被施加位移時會產(chǎn)生兩個中性面，故薄膜材料在厚度方向上產(chǎn)生的是均勻的應(yīng)變梯度而誘導(dǎo)薄膜材料內(nèi)部產(chǎn)生極化；極化電荷通過電極由信號采集器測量顯示；由于薄膜材料處于三點彎曲狀態(tài)，位移端控制的位移w(L)表征，薄膜材料中心與固定端的距離為x，薄膜材料的總長度為L，因此薄膜材料內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)變梯度表示為：

根據(jù)撓曲電的定義：

其中極化強度表示為:

其中Q是信號采集器測量顯示的電荷量，A是電極面積，P為極化強度，μ₁₃為橫向撓曲電系數(shù)；利用公式(2)即可計算薄膜的撓曲電系數(shù)。

本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點：