光重塑铁电薄膜，为无线传感器与微器件开辟新可能

图形摘要来源：《ACS 纳米》（2025 年），DOI：10.1021/acsnano.5c05203

一支国际研究团队近期在 “光致伸缩” 技术上取得突破，进一步推动了利用低能量光制备微器件用铁电薄膜的研究进程，为相关领域发展注入新动力。

弗林德斯大学的潘卡吉夏尔马博士表示：“材料的光致非热形变（又称光致伸缩）具有将光子能量直接转化为机械运动的优势，为研发无线、光供能传感器及光机械器件提供了极具吸引力的可能。”

自 20 世纪 60 年代光致伸缩现象被发现以来，科学家已在多种材料中对其展开研究，涵盖半导体、氧化物、铁电体及聚合物等。然而，这些材料体系大多面临诸多挑战。

“传统半导体的光致伸缩响应较弱，铅基材料存在环境隐患，部分光敏化合物则稳定性欠佳。” 夏尔马博士指出。他不仅是弗林德斯大学物理学高级讲师，还是发表于《ACS 纳米》期刊的最新研究论文的通讯作者及第一作者。该论文标题为《BiFeO₃中的巨光致伸缩与光调制铁电性》。

他补充道：“铁电体作为磁性材料的电学类似物，虽颇具应用潜力，但目前其光响应大多局限于紫外光范围；且在基底上生长的外延薄膜，性能还会受基底束缚的限制。”

如今，该研究团队已在无束缚的 BiFeO（一种多铁性材料）薄膜中，成功观测到可见光照射下的显著光致伸缩效应。

BiFeO（即铁酸铋）是一种具有钙钛矿结构的无机化合物，属于室温多铁性材料 —— 这意味着它同时具备铁电性与反铁磁性。其磁学和电学性能可通过外场调控的特性，使其在新型电子器件、自旋电子器件，以及光催化、储能等应用领域中极具潜力。

这项新研究表明，通过低成本、可规模化的喷雾热解工艺制备的 BiFeO纳米结构薄膜，仅需极低的光功率，就能产生创纪录的光驱动应变。

“光可精准调控这类薄膜的内部结构与电子响应。” 来自弗林德斯大学科学与工程学院的夏尔马博士表示，“这预示着未来微器件有望完全依靠光实现供能与驱动。”

该研究的第一作者、弗林德斯大学博士后研究员张浩泽博士补充道：“这类材料有望成为光控驱动器、无线传感器及自供能光机械系统的核心基础。”

实现这一突破的关键在于无束缚的 BiFeO₃纳米晶薄膜 —— 这类薄膜内部存在密集的畴壁网络。畴壁是晶体内部原子级厚度的边界结构。

张浩泽博士解释道：“受光照射时，这些畴壁能高效分离光生载流子；同时，纳米晶体可更自由地运动，进而产生强烈的机电响应。”

“最终产生的光致伸缩效应，强度可达体相 BiFeO晶体的 5 倍，与先进卤化物钙钛矿材料相当，但不存在后者的稳定性问题与毒性隐患。”

研究团队通过调控光的波长与强度，实现了对薄膜压电性能和铁电性能的精细控制，为研发高能效、多功能纳米级器件搭建了灵活通用的平台。

期刊信息：《ACS 纳米》信息提供：弗林德斯大学

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