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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2024年4月27日，Phys. Rev. Lett.在线发表了中国科学院宁波材料技术与工程研究所钟志诚研究员和浙江大学汪华教授课题组的研究论文，题目为“Ferroelastic Twin-Wall-Mediated Ferroelectriclike Behavior and Bulk Photovoltaic Effect in SrTiO₃”，论文的第一作者为中科院宁波材料所的何日副研究员和麻省理工学院的Haowei Xu博士。

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

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.176801

参考文献：

[1] G. F. Nataf, M. Guennou, J. M. Gregg et al., Domain-wall engineering and topological defects in ferroelectric and ferroelastic materials, Nat. Rev. Phys. 2, 634 (2020)

[2] Y. Frenkel, N. Haham, Y. Shperber, et al., Imaging and tuning polarity at SrTiO3 domain walls, Nat. Mater. 16, 1203 (2017)

[3] A. Schiaffino and M. Stengel, Macroscopic polarization from antiferrodistortiv

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