Nature Nano: 利用尾随挠曲电场选择性调控铁电反转路径
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共同第一作者：Sung Min Park, Bo Wang
共同通讯作者：Sang Mo Yang, Tae Won Noh
主要单位：首尔国立大学，宾夕法尼亚州立大学
挠曲电性作为一种电极化与应变梯度的力电耦合，能实现在不施加电偏压的条件下机械操纵电极化。最近，通过用扫描探针显微镜（SPM）尖端机械翻转单轴铁电系统的面外极化，挠曲电性得以直接证明。然而，在低对称多轴铁电体中成功利用挠曲电性对多畴结构进行主动调控尚未实现。在本工作中我们表明，利用造成对称破缺的挠曲电效应，为多轴铁电材料中选择性控制多种畴翻转路径提供了有效方案。具体而言，我们利用机械力加载的SPM尖端的运动产生尾随其后的挠曲电场，通过控制SPM扫描方向，我们能够在多铁性BiFeO3薄膜中明确选择稳定的71°铁弹畴翻转或180°铁电畴翻转。相场模拟揭示出增强的面内尾随挠曲电场在这一畴工程中起到了必不可少的作用。此外，我们证实了通过机械翻转的畴具有良好的保持性。这项工作对用于非易失性磁电装置和多级数据存储器的低对称性材料，为在其中确定地选择纳米尺度铁电畴开辟了新的途径。
力电耦合效应作为机械能与电能一种转换方式普遍存在于自然界中。压电效应是人们最为熟知的力电耦合作用，描述的是材料的均匀机械形变产生电极化或是均匀电场造成的材料机械形变。由于对称性的限制，压电材料需满足具有非中心对称性的要求。另一种研究较少的力电耦合是挠曲电效应，指的是材料在非均匀变形条件下应变梯度与电极化的耦合。不同于压电性，挠曲电效应普遍存在于固体材料，液晶，软材料，生物膜，低维材料等之中，其效应在铁电材料中尤为明显。另一方面，微纳尺度下材料固有的或是能承载的非均匀应变增大，挠曲电效应往往能更好的显现，甚至在力电耦合现象中发挥决定性作用。因此，随着电子信息材料微型化的趋势，挠曲电效应受到了日益增长的关注，了解挠曲电效应的微观机理、理清其在微纳尺度下力电耦合现象中的作用、利用挠曲电效应实现力电转换成为了众究领域广泛探讨的课题。
近来的研究表明，通过对扫描探针显微镜（SPM）探针机械加载作用到铁电薄膜表面可以实现铁电畴的反转，其中挠曲电效应是被证实为主要机理。简言之，探针针尖按压薄膜产生的非均匀应变场通过挠曲电效应转化成等效电场（挠曲电场），当其强度超过矫顽电场时即可造成极化反转，从而实现畴翻转。然而，尽管这一力致畴反转以及相应的挠曲电机理在单轴铁电体系中得以证实，对于低对称性多轴铁电体系，利用挠曲电性主动调控不同路径的多畴翻转尚未实现。
在最近发表于Nature Nanotechnology的工作中，来自首尔国立大学与宾夕法尼亚州立大学的合作研究利用打破对称的挠曲电性，实现了多轴铁电体中多畴翻转路径的选择性控制。他们利用机械力加载的SPM尖端的运动产生尾随其后的挠曲电场，通过控制SPM扫描方向，从而在单畴状态下的多铁性BiFeO3薄膜中准确的选择71°铁弹畴翻转或180°铁电畴翻转。利用这一思路，研究者进一步实现了薄膜内大块区域由完全71°铁弹畴翻转到为完全180°铁电畴翻转的连续转变，并且这些机械力写入的畴结构与传统电写入的相比显示出更好的保持性。利用耦合了挠曲电效应的相场模拟，研究者揭示出尾随SPM探针后的挠曲电场由于探针运动得以显著增强，并且随探针运动方向呈现出非对称的分布，从而在控制畴翻转路径的过程起到了至关重要的作用。
这项工作具有如下几点重要意义：
首先，机械力控制畴结构省去了制备薄膜底电极的必要，也避免了传统电控畴翻转时施加偏压可能产生的漏电，介电击穿，电荷注入等副作用。
其次，提出了“尾随挠曲电场”的概念，揭示出增强的面内挠曲电场可导致面内极化反转，为挠曲电效应的研究提供了新的方向。
此外，通常挠曲电无法实现面外极化的力致可逆翻转，但这项表明力致可逆翻转可以通过面内极化实现，从而为设计先进高存储密度非易失性记忆器件提供新思路。
最后，对于具有弱磁电耦合性的BiFeO3薄膜，实现准确且有效的电控磁一直是困扰研究者们许久的问题。这项研究能选择性的控制71°铁弹畴翻（从而伴随磁序改变），为在多铁性BiFeO3中力控磁序提供了可能。
Fig. 1 | Schematic of polarization switching due to the trailing flexoelectric field tracing the SPM tip motion, and phase-field modelling of IP flexoelectric distribution under both a static and mobile tip.
Fig. 2 | Ferroelectric polarization switching by mechanical line scanning.
Fig. 3 | Ferroelectric polarization switching by mechanical 2D scanning.
Fig. 4 | Phase-field modelling of ferroelectric switching under a mechanical load.
Fig. 5 | Comparison between mechanical and electrical switching of ferroelectric polarization.
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