供稿、攝影：伟德客户端 編輯：趙亞康
成果速覽
近日，伟德客户端洪家旺教授、王學雲副教授團隊在低維材料的鐵電疇力學調控研究中取得重要進展，相關成果以“Ultralow tip-force driven sizable-area domain manipulation through transverse flexoelectricity”為題發表于國際權威期刊Advanced Materials。研究團隊開發了基于懸浮薄膜的針尖力調控鐵電疇方法，利用懸浮薄膜在針尖力作用下的大範圍彎曲變形顯著增強了薄膜中的橫向撓曲電場，進而在二維範德瓦爾斯鐵電薄膜（CuInP2S6）中以單點針尖力實現了遠超針尖-薄膜接觸區域的大面積鐵電疇翻轉，數百納米厚膜的鐵電疇貫穿翻轉所需針尖力降低至數微牛，解決了傳統疇調控方式難以大面積翻轉厚膜鐵電疇的難題，為低維材料中鐵電疇的撓曲電調控及其器件應用開辟了新途徑。
背景介紹
鐵電材料憑借其可翻轉的自發極化在信息存儲、半導整流等電子器件中具有重要應用。實現鐵電體内部電疇結構的精準調控是其實際應用的關鍵。施加外電場是調控鐵電疇的常規手段，但電場驅動疇翻轉的過程可能會誘發電緻損傷等問題。例如，在二維範德瓦爾斯鐵電材料銅铟磷硫（CuInP2S6）的疇翻轉中，針尖局域電場誘發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用。因此，發展多元化的鐵電疇調控手段具有重要意義。通過納米針尖力翻轉鐵電疇是近年來新興發展的疇調控手段，該方法能夠有效克服電場翻轉的缺陷。納米針尖在薄膜表面的壓入能夠誘導高達107 m-1以上的應變梯度以及高于矯頑場的撓曲電場，進而翻轉面外/内鐵電極化的取向。然而，針尖力誘導的撓曲電場僅僅局限于針尖-薄膜接觸區域，導緻其隻能實現微小面積（~100π nm2）的鐵電疇翻轉。此外，針尖力誘導的應變梯度沿薄膜厚度方向急劇衰減，導緻薄膜底表區域的撓曲電場顯著減弱，使得力翻轉鐵電疇一般限制于厚度100 nm以内的薄膜，限制其在厚膜中的應用。盡管增大針尖力可以增強撓曲電場的作用強度和範圍，但同時也會導緻更強烈的應力集中，使得薄膜表面更容易發生損傷破壞。因此，迫切需要開發适用于數百納米級厚膜的超低力調控大面積鐵電疇方法。
研究亮點
鑒于此，研究團隊針對低維範德瓦爾斯鐵電材料開發了基于懸浮薄膜的針尖力調控鐵電疇方法（圖1A）。通過機械剝離法将範德瓦爾斯鐵電薄膜轉移至帶微孔陣列的矽襯底上以獲得懸浮薄膜。由于懸浮薄膜缺少剛性襯底支撐，在針尖力作用下會産生大範圍彎曲變形。有限元計算的應變分布（圖1B）顯示彎曲變形能夠産生貫穿薄膜厚度的非均勻面内應變場，導緻橫向應變梯度及其誘導的撓曲電場顯著存在于整個厚度範圍内，且廣泛存在于懸浮薄膜區域，這解決了傳統鐵電疇力學調控中撓曲電場作用範圍小且沿薄膜厚度方向急劇衰減的關鍵難題。自由能理論計算結果顯示（圖1C），懸浮薄膜受彎狀态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鐵電極化。
圖1. 基于懸浮薄膜的針尖力調控鐵電疇方法。（A）疇調控示意圖；（B）薄膜面内應變分布；（C）應變梯度作用下的鐵電極化雙勢阱曲線。
結合原子力顯微鏡的力-曲線模塊（Force-curve）和壓電力響應顯微鏡（PFM）測量技術，研究了CuInP2S6懸浮薄膜在針尖力作用下的鐵電疇翻轉行為。PFM結果（圖2A-E）顯示懸浮區域的鐵電疇在單點針尖力作用下能夠發生自上而下的180度翻轉，疇翻轉面積高達針尖接觸面積的2500倍。在250～550 nm厚膜中依然能夠穩健實現大面積的疇翻轉，所需針尖力随膜厚增加而增大，在足夠大的針尖力作用下，最終可獲得近乎完美的單疇結構。鐵電疇被翻轉後并不會破壞薄膜表面形貌且能夠長時間保持穩定不變（10個月以上），具有良好的非破壞性和非易失性。
圖2. 針尖力誘導的大面積鐵電疇翻轉：（A-E）不同厚度CIPS懸浮薄膜中的鐵電疇力學調控；（F, G）考慮與不考慮橫向撓曲電效應貢獻的撓曲電場分布；（H）疇翻轉臨界力與薄膜厚度間的三次方正比關系。
結合有限元計算和理論分析（圖2F-H）,揭示了大範圍顯著存在的橫向撓曲電效應以及疇翻轉臨界力關于薄膜厚度三次方的正比關系，充分證實了懸浮薄膜中增強的橫向撓曲電場是實現大面積疇翻轉的關鍵。結合在逐級增大針尖力作用下的疇演化實驗結果（圖3），進一步揭示了自上而下的單向疇翻轉特性以及基于疇壁橫向移動的疇翻轉機制。由橫向撓曲電場驅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。
圖3. 鐵電疇翻轉的動态演化過程：（A）逐級增大針尖力作用下的鐵電疇結構；（B，C）疇分數和疇壁長度關于針尖力的變化曲線。
通過與傳統調控方式的對比（圖4）可以發現，基于剛性支撐薄膜的傳統調控方法，疇翻轉所需針尖力随膜厚增加而急劇增大，當膜厚超過100nm時，針尖力高達數十微牛，因而嚴重限制了其在厚膜中的應用。然而，基于懸浮薄膜的疇調控新方法能夠突破膜厚的限制，将膜厚的适用範圍提升了一個數量級，達到了數百納米。對于百納米級厚膜，僅需數微牛的針尖力即可實現大面積的鐵電疇翻轉。該方法大大增強了鐵電疇力學調控的适用性。
圖4. 鐵電疇翻轉的臨界力關于薄膜厚度的變化曲線。藍色區域代表基于剛性支撐薄膜的傳統調控方法，黃色區域代表基于懸浮薄膜的疇調控方法。
論文信息
倫應焯博士和王學雲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，伟德客户端為論文第一單位，黃厚兵教授、陳亞彬教授、陳龍慶教授和方岱甯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基金、國家重點研發計劃、北京市自然科學基金以及伟德客户端研究生科技創新項目的資助。全文鍊接：https://doi.org/10.1002/adma.202302320
作者介紹
倫應焯，博士，2023年畢業于伟德客户端力學系，主要從事先進功能材料多場耦合力學及撓曲電效應研究。以第一/共一作者在Nat. Commun., Adv. Mater., J. Mech. Phys. Solids, Int. J. Solids Struct.和Nano Lett.等國際期刊發表學術論文10篇，國家授權發明專利2項，主持優秀博士論文育苗基金和研究生科技創新項目各1項，曾獲國家獎學金（3次）、北京市優秀博士畢業生、伟德客户端優秀研究生标兵（2次）、伟德客户端優秀博士學位論文等獎勵。
王學雲，伟德客户端長聘副教授，博士生導師。中國人民大學物理系獲得學士學位，美國Rutgers, the State University of New Jersey獲得物理學博士學位。主要從事鐵電壓電，二維材料功能性疇結構的形成演化機制、多場（力，熱，電，磁，化學勢等）耦合調控機理與潛在應用的研究。發表SCI論文100餘篇，包含Science, Nature, Nature Physics, Nature Materials, Phys. Rev. Lett.等。
（審核：龍騰）
