PRL：力学褶皱诱导挠曲电效应调控纳米薄膜极化拓扑结构

2024-03-30 03:03

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氧化物晶体薄膜中发现的奇异的极化拓扑结构，如极性斯格明子，半子及极化涡旋阵列等，因其在纳米电子领域具有巨大的应用潜力而备受关注。此前的研究表明这些极化拓扑结构主要存在于铁电超晶格和铁电纳米薄膜中，认为特定的温度、应变和外加电场等外界刺激会促使无序的铁电极化向有序且具有特定拓扑数的极化结构转变。然而，目前的研究局限于铁电超晶格材料，且如何调控极化拓扑结构仍然是极具挑战的难题。

近日，西安交通大学力化学耦合与智能介质实验室报道了一种基于褶皱诱导挠曲电效应的极化拓扑结构调控方法。这种基于挠曲电效应的调控策略不再受限于超晶格结构或铁电材料，可广泛适用于所有中心对称或非中心对称纳米薄膜，为极化拓扑结构提供更广阔的材料和结构选择空间。相关成果以“Mechanical Control of Polar Patterns in Wrinkled Thin Films via Flexoelectricity”为题发表在物理学旗舰期刊Physical Review Letters上。

极化拓扑结构的形成是系统中弹性能、静电能和梯度能之间敏锐的竞争平衡结果，其中，应变梯度和电极化之间的耦合效应（挠曲电效应）在纳米尺度将会起主导作用。不同于铁电和压电效应，挠曲电效应广泛存在于所有中心对称和非中心对称电介质中。在这种前提下，是否可以利用挠曲电效应来改变非极性中心对称材料的极性并进一步调控其内部的极化拓扑结构？如果可行，那么另一个关键的问题是如何诱导产生具有拓扑结构的应变梯度场？

针对上述问题，作者通过改变薄膜-柔性基底系统（膜-基系统）的力学边界，使系统发生不同的表面失稳褶皱，进而在纳米薄膜中引入具有特殊拓扑结构的应变梯度场及与之对应的挠曲电极化结构（图1）。研究结果展示了改变褶皱形貌时，中心对称纳米薄膜在挠曲电效应的驱动下从非极性状态（图 1c）向有序的条纹（图2）、半子（图3）及复杂的迷宫极化拓扑结构的转变过程（图4），表明力学边界、材料属性和几何参数是调控这类极化拓扑结构的关键因素。另外，作者使用分子动力学模拟和第一性原理（详情见论文支撑材料）相结合的方式进一步验证了与褶皱形貌相对应的极化拓扑结构。该研究中报道的基于挠曲电效应的极化拓扑结构不仅适用于中心对材料，还可以拓展到其他非中心对称材料，赋予极化拓扑结构更多的可能性和吸引力。