近日，东南大学生物科学与医学工程学院青年教师张含悦首次在生物可降解的聚乳酸薄膜上实现铁电刻印，相关研究成果以“Observation of ferroelectric lithography on biodegradable PLA films”为题发表于期刊Advanced Materials《先进材料》上。
铁电刻印技术是一种可以在微/纳米尺度上有目的地设计和控制铁电畴的高精密度加工技术，在非易失性存储器、传感器、场效应晶体管、赛道存储器、光电探测器等领域都有着非常重要的应用。该技术类似于中国古代四大发明之一的活字印刷术，其中压电力显微镜（PFM）的探针就可以像“笔”一样在铁电材料这张“纸”上施加电压，来绘制预期的畴图案。目前，铁电刻印技术的研究主要集中在无机陶瓷上，但无机陶瓷本身具有刚性、加工困难、薄膜制备困难以及可能含有有毒元素等缺点。相比之下，分子铁电材料具有重量轻、可溶液加工、环境友好、声阻抗低、生物相容性好等优点，是无机铁电材料的有效补充。然而，在分子铁电晶体的畴切换过程中，铁电畴容易扩散，故能够实现铁电纳米刻印的材料极少。例如，在铁电化学的指导下，该团队还合成了一对有机对映体，双取代的黏糠酸衍生物。利用PFM技术，在上述铁电晶态薄膜上施加局域电场，能精确地在同一个区域内实现了6次连续的极化翻转和熊猫畴图案的刻印，且保留时间极长。但这一有机晶体合成较为复杂，且晶体易碎、柔韧性较差。而有机铁电聚合物具有良好的机械柔韧性，这适配于可穿戴电子设备的应用场景。对有机铁电聚合物的铁电刻印研究主要集中在聚偏二氟乙烯（PVDF）及其共聚物上，但复杂的拉伸极化工艺和难生物可降解性阻碍了它们在生物医学领域的应用。
近日，东南大学青年教师张含悦团队利用熊仁根教授提出的“铁电化学”理论，基于可生物降解的聚乳酸（PLA）薄膜探究了其铁电纳米刻印行为。团队通过简单熔铸法，在无需拉伸和高压极化的简易条件下，制备得到了具有室温铁电性和铁电刻印能力的PLA薄膜（见图1上）。通过施加特定大小的局域电场，可以在室温条件下在PLA薄膜上实现铁电极化反转；尤其值得注意的是，还可以根据预定的图案在PLA膜表面上进行铁电畴结构的精准写入与擦除（见图1下）。这可能是由于所制备的PLA薄膜晶粒小、均匀性高，从而使得PLA在刻印过程中不易表现出明显的畴扩散。此外，PLA薄膜的矫顽电压相对较低（低于30 V），且能随着薄膜厚度的减小而进一步降低，这为材料的后续应用提供了先决条件。据悉，PLA是首例具有生物相容性和生物可降解性的有机铁电聚合物，它的室温铁电性和铁电刻印能力的发现对于生物医学和生物电子应用具有重要意义，尤其适用于植入式瞬态电子医疗器件。
图1. 半晶态的PLA薄膜制备流程（上）及其铁电刻印示意图（下）
该工作得到了熊仁根教授的大力支持与悉心指导。东南大学化学化工学院的硕士生蒋欢欢和南昌大学青年教师宋贤江博士为论文共同第一作者，东南大学的熊仁根教授与张含悦副研究员为共同通讯作者，东南大学为第一通讯单位。该工作受到国家自然科学基金的大力支持。