中科院宁波材料所Phys. Rev. Lett.: SrTiO3极性畴界诱导的挠曲铁电和体光伏效应

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畴界是铁电和铁弹材料中普遍存在的一类二维缺陷。由于其晶体对称性与体相材料不同，故表现出与体相材料不同的独特力、热、光、电性质。具有钙钛矿结构的钛酸锶（SrTiO₃）是一种非极性材料，但其立方相的90°畴界（twin wall）却表现出极性。Salje教授在近期发表于《自然评论：物理》综述文章中指出：“SrTiO₃的极性畴界有望作为一个新的潜在自由度，用于设计新型功能器件。但在此之前，仍需要澄清一个非常重要的问题——是否可以通过外场来操纵、翻转这些畴界上的极性，以及如何探测这些极性。”

针对上述问题，作者使用密度泛函理论结合深度学习力场分子动力学Deep Potential Molecular Dynamics模拟方法，研究了SrTiO₃畴界的极化性质及其在应变下的动力学响应，最终提出通过弯曲形变翻转和调控畴界极化的方案。研究发现极性畴界在SrTiO₃薄膜中通常正负成对出现，畴界在(001)面产生自发的凹凸起伏，凸角对应极化向上的畴界，凹角对应极化向下的畴界，故SrTiO₃宏观上不表现出极性，如图2和3所示。

图1. SrTiO₃畴界原子结构示意图，畴界结构序参量、极化序参量的空间分布

图2. SrTiO₃薄膜中畴界格点模型示意图，畴界在(001)面产生自发的凹凸起伏，凸角对应极化向上的畴界，凹角对应极化向下的畴界，畴界通过定向旋转，可以翻转极化

图3. 畴结构在弯曲应变下动力学演化的机器学习势分子动力学模拟结果，计算表明弯曲形变能够使极性畴界进行90°旋转

当施加弯曲形变以后，部分畴界会定向旋转90°，伴随畴界的旋转，(001)面的凹凸角会相互转换，畴界的极化也随之翻转，最终产生[001]方向宏观净极化。值的注意的是，这与常规的体挠曲电效应有所不同，弯曲形变完全被畴界的凹凸角所弛豫，体相区域不存在梯度应变。因此，当弯曲应力撤除以后，SrTiO₃薄膜依然能够保持弯曲状态，同时存在剩余极化，如图4所示。最终通过弯曲应力，能够使SrTiO₃薄膜产生类铁电的滞回线行为。最后，本文还提出了一种通过测量体光伏响应来探测畴界极性的实验方案（图5）。上述工作提出了一种通过挠曲铁电效应，调控非极性体系中畴界极性的方案，这使得极性畴界能够作为一种潜在功能元素，用于纳米功能器件设计。

图4. 通过弯曲应力，能够使SrTiO₃薄膜产生类铁电的滞回线行为，当弯曲应力撤除以后，依然能够保持弯曲状态，同时存在剩余极化

图5. 极性畴界的非线性光学响应

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