微纳米复合材料研究所在二维铁电材料厚度驱动相变与机电性能优化方面取得重要进展

研究简介

研究团队首先利用接触共振原子力显微技术（CR-AFM）系统测量了不同厚度 CIPS 的面外力学性质，发现材料在约 80–100 nm 的临界厚度附近出现明显力学突变：面外弹性模量由约 60 GPa 降至约 35 GPa。这一突变与晶体结构由三斜相向单斜相转变高度一致，为厚度驱动结构相变提供了直接的力学证据。

图1 CIPS面外模量变化

进一步结合扫描透射电镜（STEM）和理论计算，研究揭示了该相变的微观机制：在薄层 CIPS 中，Cu⁺ 离子易偏离晶格进入层间区域，增强层间静电力耦合，使体系稳定于三斜结构；而随着厚度增加，Cu⁺ 离子逐渐被限制在层内并趋于有序分布，体系转变为单斜相。结果表明，Cu⁺ 离子迁移行为与层间力学耦合的协同作用是驱动厚度依赖相变的关键机制。在此基础上，研究团队通过纳米摩擦力显微（LFM）进一步表征界面摩擦行为，发现摩擦系数随厚度增加由约 0.35 降至 0.22，并在临界厚度附近出现突变。该现象源于不同结构状态下能量耗散机制的变化。其中，薄层中离子无序迁移及电荷涨落增强耗散，而厚层中层间耦合减弱使剪切更易发生。结果表明，摩擦响应可作为结构相变的重要力学表征指标。

图2 CIPS结构相变分析

此外，压电力显微（PFM）测试表明，CIPS 的压电系数d33随厚度呈现“先升高后降低”的非单调变化，在约 100 nm 处达到最大值（约 27 pm/V）。该最优厚度对应于较低面外刚度与较强极化强度的协同，实现了优异的力-电耦合性能，相应的力-电耦合系数甚至超过部分传统压电材料，显示出二维铁电体系在性能调控方面的独特优势。

图3 CIPS面外压电系数变化

基于上述最优厚度区间，研究团队构建了 CIPS 压电器件并进行了性能验证。结果表明，该器件在外加载荷作用下可产生稳定、可重复的电压输出，且输出信号与外加压力呈良好线性关系。其中，约 100 nm 厚度下表现出最佳响应性能，验证了厚度调控策略在实际器件中的有效性。

图4 CIPS压电器件性能表征

该研究从力学视角系统揭示了二维离子型铁电材料中厚度驱动结构相变的内在机制，建立了“结构演化-力学响应-力电性能”之间的定量关联，明确了约 100 nm 为实现最优机电耦合性能的关键厚度窗口。研究成果不仅深化了对二维铁电体系多场耦合机制的理解，也为柔性传感器、微纳机电系统及能量转换器件的设计提供了重要理论依据和技术路径。