PRB: 电介质薄膜挠曲电系数的直接测量

2022-08-04 03:08

海归学者发起的公益学术平台

分享信息，整合资源

交流学术，偶尔风月

挠曲电效应（Flexoelectricity）是一种在电介质材料中由非均匀应变（如应变梯度）耦合产生电极化的力电耦合效应。应变梯度通常与材料的结构尺寸成反比，这使得挠曲电效应在微纳尺度下可以对材料的光、电、磁等物理性质产生尤为重要的影响。然而，微纳尺度材料挠曲电系数等性能参数的直接测量至今还是一个悬而未决的难题。

传统的二维电介质薄膜通常沉积在刚性的衬底上并以化学键连接。由于衬底与薄膜的相互作用，弯曲测量时除了在薄膜中产生应变梯度也同时在薄膜中产生了净应变，并由此带来了难以避免的压电效应（即使介质材料本身不具有压电性）。这一压电效应给薄膜挠曲电系数的准确测量带来了巨大的困难，这也是目前文献中关于同一类电介质薄膜挠曲电系数的报道结果千差万别的原因之一。

近日，南昌大学舒龙龙、柯善明团队联合西班牙加泰罗尼亚高等研究院Gustau Catalan教授利用在二维层状衬底云母上的范德华（van der Waals）外延技术为电介质薄膜的本征挠曲电性的测量提供了一个有效的解决方案。范德华外延可以近似消除衬底对薄膜的夹持作用（图1），从而在弯曲测量中成功获得了外延薄膜的本征挠曲电系数。该工作结合理论计算，验证了范德华外延薄膜在弯曲下的无净应变状态，克服了传统外延薄膜测量中由弯曲引入的压电效应影响，提出了一种普适性的电介质薄膜挠曲电性的直接测量方法。

图1. 传统外延薄膜与范德华外延薄膜的比较示意图

在这项工作中，合作团队选用经典的铁电材料钛酸钡（BaTiO₃, BTO）作为研究对象，分别采用钛酸锶（SrTiO₃, STO）和云母（mica）作为衬底，设计制备了BTO/STO传统外延异质结与BTO/mica范德华外延异质结。结合有限元模拟发现，BTO/STO异质结在弯曲状态下的中性层（即应变为0）位于衬底中部，因此在BTO薄膜中产生了净应变；相对地，BTO/mica范德华异质结在弯曲状态下的具有两个独立的中性层，其中之一位于BTO薄膜的内部，在薄膜中没有产生额外的净应变，因此理论上可以通过直接测量表面电荷得到BTO薄膜的本征挠曲电系数（图2）。

图2. 有限元方法模型的示意图

XRD、介电温谱和PFM的结果进一步展示了BTO/STO异质结与BTO/mica异质结应变状态的区别。BTO/STO异质结中薄膜受到了衬底明显的夹持作用。而在mica上外延的BTO薄膜处于完全的应力松弛状态（图3），晶胞尺寸与块材相当，并展示出十分接近块材的电学性能（图4），这也进一步暗示了利用范德华外延直接测量介电薄膜的挠曲电系数的可行性。

图3. BTO/STO和BTO/mica异质结的XRD表征

图4. BTO/STO和BTO/mica异质结的介电温谱及PFM结果

进一步，为了探究弯曲过程中产生的极化是否存在压电贡献，团队设计了一系列不同衬底厚度的实验。如图5所示，两种外延异质结构的挠曲极化结果表明，BTO/mica范德华外延异质结不仅表现出与块材接近的挠曲电极化强度，且与衬底厚度呈现出非依赖关系，符合论文中的范德华模型。相反，BTO/STO异质结呈现出较强的衬底厚度依赖关系，同时其“表观挠曲电系数”比块材低了一个数量级，表明了压电响应的影响存在。

图5.不同BTO薄膜厚度以及不同衬底厚度对挠曲电极化的影响

最后，为了验证范德华薄膜挠曲电性直接测量方法的普适性，团队选取了具有中心对称非压电性的立方钙钛矿钛酸锶（STO）薄膜作为对比。如图6所示，生长在云母mica衬底的STO范德华外延薄膜的挠曲电系数表现出极小的衬底厚度依赖性，而生长在STO衬底的STO同质外延薄膜具有较强的衬底依赖性，其挠曲电系数随衬底厚度减小而下降。