微纳米复合材料研究所在二维铁电材料疲劳性能研究与调控方面取得重要进展

研究简介

研究团队开发了基于AFM的疲劳检测方法，在纳米尺度原位检测CIPS的疲劳失效行为，如图一所示，在AFM周期加载过程中，材料振幅信号出现阶跃式衰减，同时中心区域逐渐形成纳米尺度凸起结构，伴随杨氏模量显著降低，表明损伤以局域形式持续累积；其疲劳寿命呈典型S-N关系，在接近7 GPa应力下仍可承受超过107次循环，说明CIPS具有远超传统铁电材料的抗疲劳能力，其失效机制由“局域结构演化”而非传统裂纹主导。

图1 机械加载条件下CIPS的疲劳性能

   进一步通过TEM和EDS元素分析，表征了循环加载过程中形成的纳米凸起结构的物理本质：通过EDS元素分析发现凸起区域存在明显的Cu元素富集，而In、P、S分布基本均匀，表明该结构来源于Cu⁺ 离子的局域聚集；如图二所示，进一步结合EFM与SKPM结果，证实该区域具有正电荷积累与表面电势升高特征，同时导电AFM测试显示其电导显著增强，说明离子迁移促进了局域导电通道的形成；此外，拉曼光谱中Cu-S振动模式减弱及新振动峰的出现，揭示出晶格发生局域畸变与结构重构，综合表明该凸起结构本质上是由挠曲电效应驱动的Cu⁺离子迁移与聚集所形成的富离子畸变区域。

图2 团簇结构性能表征

此外，研究团队通过有限元分析和MD模拟，点揭示了循环加载过程中离子迁移的驱动机制及其动力学行为：在外加机械载荷作用下，悬浮CIPS薄膜产生显著的应变梯度，从而诱导出强挠曲电场，该电场强度可达到甚至超过极化翻转阈值，成为驱动Cu⁺ 离子定向迁移的主导因素。如图三所示，实验I-V结果表明，随着应力增加，材料导电性显著增强，反映出离子迁移所形成的导电通道效应；同时，分子动力学模拟进一步显示，在循环加载过程中Cu⁺ 离子在探针下方区域持续富集，其均方位移远高于In、P、S等骨架原子，表明其具有更强的迁移能力。综合实验与模拟结果，图三建立了“应变梯度—挠曲电场—离子迁移”的耦合机制，为理解疲劳过程中离子驱动的结构演化提供了关键物理依据。

图3 循环加载条件下的离子迁移机制

进一步地，研究团队通过AFM针尖电场调控离子迁移的方法，展示了CIPS疲劳行为的可逆调控机制及其电场驱动的“再生”过程：通过在AFM探针下施加不同极性的局域电压，可实现Cu⁺离子的可编程聚集与分散，即负电压诱导离子聚集形成凸起结构，而正电压可使其重新分布并消除已形成的损伤区域；如图四所示，在循环加载过程中引入电场调控后，已产生的离子聚集能够被有效“擦除”，材料疲劳性能随之恢复至接近初始状态，并可通过多次“写入—擦除”循环实现反复恢复，从而显著延长疲劳寿命。该结果表明，CIPS中的疲劳损伤本质上是电可逆的离子迁移过程，可通过机电耦合实现可编程的抗疲劳性能调控。

图4 力电耦合调控CIPS疲劳性能

最后，通过对比CIPS与多种典型压电材料的疲劳性能，证明了其在高应力与长寿命方面的显著优势：传统铁电氧化物及聚合物材料通常在较低应力（<0.6 GPa）下循环寿命不超过107次，而部分二维材料虽可实现较高循环次数，但承载能力有限；相比之下，CIPS在接近7 GPa的高应力条件下仍可承受超过10⁷次循环，在较低应力下甚至可达到1010次以上，表现出优异的抗疲劳性能；进一步引入电场调控后，其疲劳寿命可实现额外提升，整体性能在应力承载能力与循环寿命两个维度均显著超越现有材料体系，体现出二维离子型铁电材料在高可靠性器件中的应用潜力。

本研究围绕二维离子型铁电材料CIPS的机械疲劳行为，系统揭示了其由离子迁移主导的损伤与恢复机制：通过构建基于AFM的纳米尺度原位疲劳测试方法，发现循环加载可通过挠曲电效应诱导Cu⁺ 离子定向迁移与局域聚集，进而形成凸起结构并导致力学性能退化；进一步结合多模态表征与分子动力学模拟，建立了“应变梯度—挠曲电场—离子迁移—结构演化”的完整物理图像。更为重要的是，该研究首次实现了对疲劳损伤的电场可逆调控，通过驱动离子重新分布有效恢复材料性能，使疲劳寿命提升一个数量级，突破了传统疲劳不可逆的认知框架。该工作为理解二维铁电材料中离子-晶格耦合行为提供了新的视角，并为发展高可靠、自修复及可编程的柔性电子与机电器件提供了重要理论基础与设计思路。