近日，東南大學李玲龍教授團隊與西安交通大學王棟教授團隊合作，在《ACS Applied Materials & Interfaces》發表重要成果。研究團隊利用Quantum Design公司自主研發的AFM/SEM二合一多功能顯微鏡FusionScope，突破性地在納米尺度下原位動態觀測到超薄氧化鉿鐵電薄膜（HZO）的自修復行為，為柔性電子器件的發展提供了關鍵科學依據。

背景介紹

柔性鐵電薄膜的開發對于推動柔性電子器件（如柔性傳感器、能量收集器和電子皮膚）的發展至關重要。傳統聚合物基鐵電材料（如聚偏氟乙烯，PVDF）耐溫性較差，而氧化鉿（HfO₂）基鐵電材料因其與硅的兼容性、化學組成簡單和低毒性成為研究熱點。然而，其納米級薄膜的自修復機制一直未被直接揭示。本研究通過引入可控褶皺，利用FusionScope等設備研究了HZO薄膜的彈性變形和恢復過程，揭示了其在應變下的優異彈性。

圖文展示

通過褶皺工程制備的HZO薄膜呈現300-400 nm高度的連續波狀起伏，表面電勢在波峰和波谷處呈現相反的極性，表明其對應變梯度的敏感相應。隨后，作者通過AFM/SEM二合一多功能顯微鏡FusionScope的共定位能力，利用AFM針尖對褶皺進行納米壓痕實驗，研究了其自恢復行為（圖1）。作者發現在小于100 nN的力作用下，所有褶皺均可wanquan恢復。獨立式HZO膜可以形成皺褶結構而不會破裂，顯示出彈性特性。圖1(a)顯示了使用AFMjianduan對HZO皺紋進行納米壓痕實驗的示意圖。圖1(b)是在納米壓痕過程中原位記錄的典型力曲線，其中壓電位置表示jianduan的垂直位移，垂直軸為中心。通過精確控制壓電片的位置，得到了不同壓痕深度下的受力曲線數據。圖1(c) - 1(f)為在四種不同的皺折狀態下進行的納米壓痕實驗。從力曲線上可以看出，在小于100 nN的jianduan力作用下，所有褶皺都表現出自修復行為。這一點從力曲線上陡峭的下降點（sdp）可以看出，隨著jianduan力的逐漸增加，這些下降點對應于納米壓痕過程中相同的壓電位置。這些sdp表明褶皺在尾部恢復到原來的高度。

圖1. 通過AFMjianduan對皺褶HZO膜進行力壓痕測試。(a)納米壓痕實驗裝置示意圖。(b)過程中涉及的力曲線和相關概念用于研究jianduan與起皺膜之間的相互作用。（c?f）皺褶在四種不同狀態下的自恢復行為，其中Ymax表示相對于支撐PDMS襯底的皺褶峰高度。插圖表示褶皺的三維圖。

為了可視化獨立HZO薄膜的彈性恢復行為，作者采用FusionScope先進的AFM- SEM聯用表征技術來監測AFMjianduan與原位褶皺之間的相互作用。圖2(a)展示了AFMjianduan在真實空間中與HZO褶皺相互作用的SEM圖像，而圖2(b) - 2(i)提供了動態相互作用的逐幀可視化，包括jianduan接近皺紋，jianduan插入，jianduan收回以及隨后的褶皺自我恢復。值得注意的是，HZO褶皺在移除外界力后呈現延遲恢復。具體而言，在jianduan收縮后，褶皺變形的恢復滯后于外力的去除。這種延遲很可能是由于皺紋的弧形機械結構。

圖2. 皺褶HZO膜自修復行為的現場實時觀察。(a) AFM針尖與皺紋相互作用的SEM圖像。（b - d）jianduan從上方朝向皺紋的接近，（e和f）jianduan插入皺紋，（g和h）捕捉jianduan從皺紋的收縮。(i)說明皺紋的恢復。(b)?(i)中的比例尺對應1 μm。黃色箭頭表示AFMjianduan和皺紋之間的接觸點。(j)生長膜、皺褶和PDMS的受力曲線和等效彈簧常數。

為了定量表征超薄HZO薄膜的彈性，研究團隊對力-位移曲線進行了線性擬合，以提取等效彈簧常數。將生長膜、皺褶膜和PDMS進行比較，如圖2(j)所示。值得注意的是，PDMS的力-位移行為與生長膜和皺褶膜有明顯的不同：PDMS的接近和收縮曲線不重疊，PDMS表現出更高的附著力。三種材料的等效彈簧常數分別為：生長膜為1.01 nN/nm，皺褶膜為0.332 nN/nm， PDMS為0.204 nN/nm。這些值表明，生長膜的彈性最弱，而PDMS的彈性最大，褶皺表現出中間性質。比較了三種材料在20 nN到100 nN的jianduan力作用下的壓痕深度。三者都表現為線性行為；然而，狀態2的起皺薄膜在40 nN處表現出斜率拐點，這是由于在jianduan力的作用下褶皺坍塌，揭示了PDMS的機械強度極限。

研究亮點

• 自修復性能的發現：研究團隊通過無損剝離技術成功制備出10 nm超薄HZO褶皺薄膜。借助FusionScope系統，研究團隊創新性實現了在納米尺度下觀察到該薄膜在施加一定外力變形后可以wanquan恢復至原始狀態，展現出優異的彈性性能。

• 原位動態觀測：FusionScope系統結合原子力顯微鏡（AFM）與掃描電鏡（SEM），實時捕捉了AFM探針與HZO薄膜褶皺相互作用的動態過程（如圖2所示），揭示了其自修復的延遲效應與力學機制。

• 相場模擬驗證：通過模擬應變梯度下的極化演變，研究團隊提出連續變化的鐵電疇結構是HZO薄膜彈性的關鍵因素，為設計新型柔性鐵電材料提供了理論支持。

FusionScope的核心作用

• 高精度力電耦合測試：FusionScope的AFM模塊精確控制探針施加靜態力（20-100 nN），并記錄力-位移曲線，定量分析了HZO薄膜的等效彈簧常數（0.332 nN/nm），證實其彈性介于剛性氧化物與柔性聚合物之間。

• 多模態原位表征：AFM-SEM聯用技術直觀展示了褶皺從變形到恢復的全過程（如圖2a-i），為理解自修復動力學提供了直接證據。

• 無損檢測優勢：通過非接觸式成像模式，避免了對超薄薄膜結構的破壞，確保了實驗數據的可靠性。

應用前景

這項研究為柔性傳感器、能量收集器和電子皮膚等領域開辟了新的路徑。HZO薄膜的硅兼容性和低毒性使其在下一代柔性電子中具有很大潛力。FusionScope的多功能原位表征能力，將持續推動功能氧化物薄膜在柔性電子領域的創新研究。

關于FusionScope

FusionScope是Quantum Design公司研發推出的AFM/SEM/EDS多功能顯微鏡，巧妙地將二維大視野范圍尋找目標區域的掃描電子顯微鏡（SEM）、三維立體精細掃描原子力顯微鏡（AFM）以及X射線元素分析定量測試的能譜儀（EDS）集于一體，能夠在-10°-80°的側向視野下對樣品進行觀測。這一突破性的設計不僅實現了高分辨率成像，還提供了一種在時空間的原位測試解決方案，可針對樣品的能譜，電學，磁學和力學性能進行實時表征，從多個層面實現對樣品目標區域的多角度全面分析，為科研人員呈現直觀、準確的表征結果。

AFM/SEM/EDS多功能顯微鏡 FusionScope

樣機體驗：

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參考文獻：

[1]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2025, 17, 24087–24095，DOI: 10.1021/acsami.4c22859