哈工大陈祖煌、魏军教授团队研发新型自支撑压电单晶薄膜 为柔性高性能电子器件开发提供新思路

哈工大全媒体（阚思邈 任忠琪 王舒邈/文 陈祖煌 任忠琪/图）近日，深圳校区前沿学部材料科学与工程学院陈祖煌教授、魏军教授团队在压电单晶薄膜领域取得重要进展，研究成果以《基于自支撑铁电氧化物薄膜的超高功率密度柔性压电能量收集器》（Ultrahigh-power-density flexible piezoelectric energy harvester based on freestanding ferroelectric oxide thin films）为题发表于《自然通讯》（Nature Communications）。该研究为高性能柔性电子器件的开发提供了重要技术范式，为铁电单晶薄膜在可穿戴能源领域发展的新思路。

作为钙钛矿铁电材料的典型代表，锆钛酸铅（PbZr_0.52Ti_0.48O₃）凭借其卓越的铁电与压电特性，已成为工业应用最广泛的压电材料体系。然而，该材料本征的刚性特征与其在柔性电子器件应用需求之间的矛盾始终未能有效解决。为了解决这一问题，研究者经常将其与柔性有机材料构成纳米片等柔性复合材料、使用柔性基底制备多晶薄膜或者机械剥离单晶块体获得柔性薄膜。然而，复合材料和受衬底应力限制的多晶薄膜会极大程度地损失压电性能，而机械剥离工艺不仅制备难度大，且获得的膜层厚度较厚，使得其虽然一定程度上获得了柔韧性，但在柔性电子的应用方面严重受限。

针对上述问题，团队利用晶体取向调控和水刻蚀牺牲层技术解除衬底应力，在（111）取向的自支撑锆钛酸铅（PbZr_0.52Ti_0.48O₃）单晶薄膜中获得了585皮米每伏（pm/V）的高压电系数，并通过畴壁动力学分析和同步辐射、高分辨透射电镜等技术揭示了自支撑薄膜中高压电性的物理机制。此外，使用兼备高压电性和高柔性的（111）取向的自支撑锆钛酸铅（PbZr_0.52Ti_0.48O₃）单晶薄膜制备的柔性压电能量收集器能够在超过3.4%的大应变下实现输出，经60000次的循环后保持输出稳定，其输出电压可达12伏特（V），输出功率密度达到创纪录的63.5毫瓦每立方厘米（mW/cm³）。采集到的电能经整流存储后，可以直接用于商用电子设备供电，标志着自支撑单晶薄膜技术向实用化迈出关键一步。

自支撑锆钛酸铅薄膜的晶体取向调控策略与器件设计原理

刚性与自支撑锆钛酸铅薄膜电学性能比较，自支撑薄膜获得了压电性提升

基于（111）取向薄膜的柔性压电能量收集器的电学性能

团队突破传统铁电薄膜因基底约束导致压电性能显著衰减的技术瓶颈，通过晶体取向精准调控与水溶性牺牲层工艺协同创新，成功制备出兼具高压电特性与优异柔性的自支撑锆钛酸铅（PbZr_0.52Ti_0.48O₃）单晶薄膜，基于该材料构建的柔性压电能量收集器展现出超高输出功率密度，其压电性能已逼近块体单晶理论值。该研究不仅为开发高性能自支撑单晶压电/铁电薄膜提供了新的策略，还通过原型器件验证了此类材料在柔性可穿戴设备、智能传感系统等新领域广阔的应用前景和巨大的产业化潜力。

哈工大深圳校区为论文第一完成单位，哈工大深圳校区博士研究生任忠琪、北京科技大学邓世清教授、哈工大深圳校区硕士研究生邵俊达为论文共同第一作者。魏军教授和陈祖煌教授为论文通讯作者。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-58386-1