北理工先進(jìn)材料力學(xué)團隊在鐵電疇力學(xué)調(diào)控研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2023-07-06 供稿：宇航學(xué)院 攝影：宇航學(xué)院
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近日，北京理工大學(xué)洪家旺教授、王學(xué)云副教授團隊在低維材料的鐵電疇力學(xué)調(diào)控研究中取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以“Ultralow tip-force driven sizable-area domain manipulation through transverse flexoelectricity”為題發(fā)表于國際權(quán)威期刊Advanced Materials。研究團隊開發(fā)了基于懸浮薄膜的針尖力調(diào)控鐵電疇方法，利用懸浮薄膜在針尖力作用下的大范圍彎曲變形顯著增強了薄膜中的橫向撓曲電場，進(jìn)而在二維范德瓦爾斯鐵電薄膜（CuInP2S6）中以單點針尖力實現(xiàn)了遠(yuǎn)超針尖-薄膜接觸區(qū)域的大面積鐵電疇翻轉(zhuǎn)，數(shù)百納米厚膜的鐵電疇貫穿翻轉(zhuǎn)所需針尖力降低至數(shù)微牛，解決了傳統(tǒng)疇調(diào)控方式難以大面積翻轉(zhuǎn)厚膜鐵電疇的難題，為低維材料中鐵電疇的撓曲電調(diào)控及其器件應(yīng)用開辟了新途徑。
鐵電材料憑借其可翻轉(zhuǎn)的自發(fā)極化在信息存儲、半導(dǎo)整流等電子器件中具有重要應(yīng)用。實現(xiàn)鐵電體內(nèi)部電疇結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控是其實際應(yīng)用的關(guān)鍵。施加外電場是調(diào)控鐵電疇的常規(guī)手段，但電場驅(qū)動疇翻轉(zhuǎn)的過程可能會誘發(fā)電致?lián)p傷等問題。例如，在二維范德瓦爾斯鐵電材料銅銦磷硫（CuInP2S6）的疇翻轉(zhuǎn)中，針尖局域電場誘發(fā)的離子遷移可能損傷薄膜的表面，限制了該材料的實際器件應(yīng)用。因此，發(fā)展多元化的鐵電疇調(diào)控手段具有重要意義。通過納米針尖力翻轉(zhuǎn)鐵電疇是近年來新興發(fā)展的疇調(diào)控手段，該方法能夠有效克服電場翻轉(zhuǎn)的缺陷。納米針尖在薄膜表面的壓入能夠誘導(dǎo)高達(dá)107 m-1以上的應(yīng)變梯度以及高于矯頑場的撓曲電場，進(jìn)而翻轉(zhuǎn)面外/內(nèi)鐵電極化的取向。然而，針尖力誘導(dǎo)的撓曲電場僅僅局限于針尖-薄膜接觸區(qū)域，導(dǎo)致其只能實現(xiàn)微小面積（~100π nm2）的鐵電疇翻轉(zhuǎn)。此外，針尖力誘導(dǎo)的應(yīng)變梯度沿薄膜厚度方向急劇衰減，導(dǎo)致薄膜底表區(qū)域的撓曲電場顯著減弱，使得力翻轉(zhuǎn)鐵電疇一般限制于厚度100 nm以內(nèi)的薄膜，限制其在厚膜中的應(yīng)用。盡管增大針尖力可以增強撓曲電場的作用強度和范圍，但同時也會導(dǎo)致更強烈的應(yīng)力集中，使得薄膜表面更容易發(fā)生損傷破壞。因此，迫切需要開發(fā)適用于數(shù)百納米級厚膜的超低力調(diào)控大面積鐵電疇方法。
鑒于此，研究團隊針對低維范德瓦爾斯鐵電材料開發(fā)了基于懸浮薄膜的針尖力調(diào)控鐵電疇方法（圖1A）。通過機械剝離法將范德瓦爾斯鐵電薄膜轉(zhuǎn)移至帶微孔陣列的硅襯底上以獲得懸浮薄膜。由于懸浮薄膜缺少剛性襯底支撐，在針尖力作用下會產(chǎn)生大范圍彎曲變形。有限元計算的應(yīng)變分布（圖1B）顯示彎曲變形能夠產(chǎn)生貫穿薄膜厚度的非均勻面內(nèi)應(yīng)變場，導(dǎo)致橫向應(yīng)變梯度及其誘導(dǎo)的撓曲電場顯著存在于整個厚度范圍內(nèi)，且廣泛存在于懸浮薄膜區(qū)域，這解決了傳統(tǒng)鐵電疇力學(xué)調(diào)控中撓曲電場作用范圍小且沿薄膜厚度方向急劇衰減的關(guān)鍵難題。自由能理論計算結(jié)果顯示（圖1C），懸浮薄膜受彎狀態(tài)下具有非對稱的極化雙勢阱曲線，這表明增強的橫向撓曲電場足以翻轉(zhuǎn)鐵電極化。
圖1. 基于懸浮薄膜的針尖力調(diào)控鐵電疇方法。（A）疇調(diào)控示意圖；（B）薄膜面內(nèi)應(yīng)變分布；（C）應(yīng)變梯度作用下的鐵電極化雙勢阱曲線。
結(jié)合原子力顯微鏡的力-曲線模塊（Force-curve）和壓電力響應(yīng)顯微鏡（PFM）測量技術(shù)，研究了CuInP2S6懸浮薄膜在針尖力作用下的鐵電疇翻轉(zhuǎn)行為。PFM結(jié)果（圖2A-E）顯示懸浮區(qū)域的鐵電疇在單點針尖力作用下能夠發(fā)生自上而下的180度翻轉(zhuǎn)，疇翻轉(zhuǎn)面積高達(dá)針尖接觸面積的2500倍。在250～550 nm厚膜中依然能夠穩(wěn)健實現(xiàn)大面積的疇翻轉(zhuǎn)，所需針尖力隨膜厚增加而增大，在足夠大的針尖力作用下，最終可獲得近乎完美的單疇結(jié)構(gòu)。鐵電疇被翻轉(zhuǎn)后并不會破壞薄膜表面形貌且能夠長時間保持穩(wěn)定不變（10個月以上），具有良好的非破壞性和非易失性。
圖2. 針尖力誘導(dǎo)的大面積鐵電疇翻轉(zhuǎn)：（A-E）不同厚度CIPS懸浮薄膜中的鐵電疇力學(xué)調(diào)控；（F, G）考慮與不考慮橫向撓曲電效應(yīng)貢獻(xiàn)的撓曲電場分布；（H）疇翻轉(zhuǎn)臨界力與薄膜厚度間的三次方正比關(guān)系。
結(jié)合有限元計算和理論分析（圖2F-H）,揭示了大范圍顯著存在的橫向撓曲電效應(yīng)以及疇翻轉(zhuǎn)臨界力關(guān)于薄膜厚度三次方的正比關(guān)系，充分證實了懸浮薄膜中增強的橫向撓曲電場是實現(xiàn)大面積疇翻轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。結(jié)合在逐級增大針尖力作用下的疇演化實驗結(jié)果（圖3），進(jìn)一步揭示了自上而下的單向疇翻轉(zhuǎn)特性以及基于疇壁橫向移動的疇翻轉(zhuǎn)機制。由橫向撓曲電場驅(qū)動的疇壁移動機制所需克服的能量勢壘較低，有利于大面積疇翻轉(zhuǎn)。
圖3. 鐵電疇翻轉(zhuǎn)的動態(tài)演化過程：（A）逐級增大針尖力作用下的鐵電疇結(jié)構(gòu)；（B，C）疇分?jǐn)?shù)和疇壁長度關(guān)于針尖力的變化曲線。
通過與傳統(tǒng)調(diào)控方式的對比（圖4）可以發(fā)現(xiàn)，基于剛性支撐薄膜的傳統(tǒng)調(diào)控方法，疇翻轉(zhuǎn)所需針尖力隨膜厚增加而急劇增大，當(dāng)膜厚超過100nm時，針尖力高達(dá)數(shù)十微牛，因而嚴(yán)重限制了其在厚膜中的應(yīng)用。然而，基于懸浮薄膜的疇調(diào)控新方法能夠突破膜厚的限制，將膜厚的適用范圍提升了一個數(shù)量級，達(dá)到了數(shù)百納米。對于百納米級厚膜，僅需數(shù)微牛的針尖力即可實現(xiàn)大面積的鐵電疇翻轉(zhuǎn)。該方法大大增強了鐵電疇力學(xué)調(diào)控的適用性。
圖4. 鐵電疇翻轉(zhuǎn)的臨界力關(guān)于薄膜厚度的變化曲線。藍(lán)色區(qū)域代表基于剛性支撐薄膜的傳統(tǒng)調(diào)控方法，黃色區(qū)域代表基于懸浮薄膜的疇調(diào)控方法。
倫應(yīng)焯博士和王學(xué)云副教授為本論文的共同第一作者，洪家旺教授為論文通訊作者，北京理工大學(xué)為論文第一單位，黃厚兵教授、陳亞彬教授、陳龍慶教授和方岱寧院士對該研究工作給予了重要幫助。該研究工作獲得了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、北京市自然科學(xué)基金以及北京理工大學(xué)研究生科技創(chuàng)新項目的資助。
全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202302320
附作者介紹：
倫應(yīng)焯，博士，2023年畢業(yè)于北京理工大學(xué)宇航學(xué)院力學(xué)系，主要從事先進(jìn)功能材料多場耦合力學(xué)及撓曲電效應(yīng)研究。以第一/共一作者在Nat. Commun., Adv. Mater., J. Mech. Phys. Solids, Int. J. Solids Struct.和Nano Lett.等國際期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文10篇，國家授權(quán)發(fā)明專利2項，主持優(yōu)秀博士論文育苗基金和研究生科技創(chuàng)新項目各1項，曾獲國家獎學(xué)金（3次）、北京市優(yōu)秀博士畢業(yè)生、北京理工大學(xué)優(yōu)秀研究生標(biāo)兵（2次）、北京理工大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文等獎勵。
王學(xué)云，北京理工大學(xué)長聘副教授，博士生導(dǎo)師。中國人民大學(xué)物理系獲得學(xué)士學(xué)位，美國Rutgers, the State University of New Jersey獲得物理學(xué)博士學(xué)位。主要從事鐵電壓電，二維材料功能性疇結(jié)構(gòu)的形成演化機制、多場（力，熱，電，磁，化學(xué)勢等）耦合調(diào)控機理與潛在應(yīng)用的研究。發(fā)表SCI論文100余篇，包含Science, Nature, Nature Physics, Nature Materials, Phys. Rev. Lett.等。
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