近日，東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院青年教師張含悅首次在生物可降解的聚乳酸薄膜上實(shí)現(xiàn)鐵電刻印，相關(guān)研究成果以“Observation of ferroelectric lithography on biodegradable PLA films”為題發(fā)表于期刊Advanced Materials《先進(jìn)材料》上。

鐵電刻印技術(shù)是一種可以在微/納米尺度上有目的地設(shè)計(jì)和控制鐵電疇的高精密度加工技術(shù)，在非易失性存儲(chǔ)器、傳感器、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、賽道存儲(chǔ)器、光電探測(cè)器等領(lǐng)域都有著非常重要的應(yīng)用。該技術(shù)類似于中國古代四大發(fā)明之一的活字印刷術(shù)，其中壓電力顯微鏡（PFM）的探針就可以像“筆”一樣在鐵電材料這張“紙”上施加電壓，來繪制預(yù)期的疇圖案。目前，鐵電刻印技術(shù)的研究主要集中在無機(jī)陶瓷上，但無機(jī)陶瓷本身具有剛性、加工困難、薄膜制備困難以及可能含有有毒元素等缺點(diǎn)。相比之下，分子鐵電材料具有重量輕、可溶液加工、環(huán)境友好、聲阻抗低、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，是無機(jī)鐵電材料的有效補(bǔ)充。然而，在分子鐵電晶體的疇切換過程中，鐵電疇容易擴(kuò)散，故能夠?qū)崿F(xiàn)鐵電納米刻印的材料極少。例如，在鐵電化學(xué)的指導(dǎo)下，該團(tuán)隊(duì)還合成了一對(duì)有機(jī)對(duì)映體，雙取代的黏糠酸衍生物。利用PFM技術(shù)，在上述鐵電晶態(tài)薄膜上施加局域電場(chǎng)，能精確地在同一個(gè)區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)了6次連續(xù)的極化翻轉(zhuǎn)和熊貓疇圖案的刻印，且保留時(shí)間極長(zhǎng)。但這一有機(jī)晶體合成較為復(fù)雜，且晶體易碎、柔韌性較差。而有機(jī)鐵電聚合物具有良好的機(jī)械柔韌性，這適配于可穿戴電子設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景。對(duì)有機(jī)鐵電聚合物的鐵電刻印研究主要集中在聚偏二氟乙烯（PVDF）及其共聚物上，但復(fù)雜的拉伸極化工藝和難生物可降解性阻礙了它們?cè)谏镝t(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

近日，東南大學(xué)青年教師張含悅團(tuán)隊(duì)利用熊仁根教授提出的“鐵電化學(xué)”理論，基于可生物降解的聚乳酸（PLA）薄膜探究了其鐵電納米刻印行為。團(tuán)隊(duì)通過簡(jiǎn)單熔鑄法，在無需拉伸和高壓極化的簡(jiǎn)易條件下，制備得到了具有室溫鐵電性和鐵電刻印能力的PLA薄膜（見圖1上）。通過施加特定大小的局域電場(chǎng)，可以在室溫條件下在PLA薄膜上實(shí)現(xiàn)鐵電極化反轉(zhuǎn)；尤其值得注意的是，還可以根據(jù)預(yù)定的圖案在PLA膜表面上進(jìn)行鐵電疇結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)寫入與擦除（見圖1下）。這可能是由于所制備的PLA薄膜晶粒小、均勻性高，從而使得PLA在刻印過程中不易表現(xiàn)出明顯的疇擴(kuò)散。此外，PLA薄膜的矯頑電壓相對(duì)較低（低于30 V），且能隨著薄膜厚度的減小而進(jìn)一步降低，這為材料的后續(xù)應(yīng)用提供了先決條件。據(jù)悉，PLA是首例具有生物相容性和生物可降解性的有機(jī)鐵電聚合物，它的室溫鐵電性和鐵電刻印能力的發(fā)現(xiàn)對(duì)于生物醫(yī)學(xué)和生物電子應(yīng)用具有重要意義，尤其適用于植入式瞬態(tài)電子醫(yī)療器件。

圖1. 半晶態(tài)的PLA薄膜制備流程（上）及其鐵電刻印示意圖（下）

該工作得到了熊仁根教授的大力支持與悉心指導(dǎo)。東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院的碩士生蔣歡歡和南昌大學(xué)青年教師宋賢江博士為論文共同第一作者，東南大學(xué)的熊仁根教授與張含悅副研究員為共同通訊作者，東南大學(xué)為第一通訊單位。該工作受到國家自然科學(xué)基金的大力支持。