[論文レビュー] Giant Polarization and Abnormal Flexural Deformation in Bent Freestanding Perovskite Oxides

Songhua Cai, Yingzhuo Lun+16 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2020

Ferroelectric and Piezoelectric Materials参考文献 35被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、最大4×10⁷/mに達する歪勾配によって駆動される、曲げられたフレークストランドペロブスカイト酸化物膜における巨大なフレクソエレクトリック分極および異常な厚さ依存性の曲げ変形を実証した。異常な曲げ誘発収縮／膨張および非典型なポisson比の挙動は、フレクソエレクトリシティとピエゾエレクトリシティの相互作用に起因し、柔軟ナノ電機械システム向けに、2次元酸化物ヘテロ構造において前例のない電機械的結合を明らかにした。

ABSTRACT

Recent realizations of ultrathin freestanding perovskite oxides offer a unique platform to probe novel properties in two-dimensional oxides. Here, we observed a giant flexoelectric response in freestanding BiFeO3 and SrTiO3 in their bent state arising from strain gradients up to 4x10e7/m, suggesting a promising approach for realizing extremely large polarizations. Additionally, a substantial reversible change in thickness was discovered in bent freestanding BiFeO3, which implies an unusual bending-expansion/shrinkage and thickness-dependence Poisson's ratios in this ferroelectric membrane that has never been seen before in crystalline materials. Our theoretical modeling reveals that this unprecedented flexural deformation within the membrane is attributable to a flexoelectricity-piezoelectricity interplay. The finding unveils intriguing nanoscale electromechanical properties and provides guidance for their practical applications in flexible nanoelectromechanical systems.

研究の動機と目的

• 曲げ変形下における超薄膜フレークストランドペロブスカイト酸化物の電機械的応答を調査すること。
• 曲げ中に反強誘電体BiFeO3膜で観察される異常な厚さ変化の原因を解明すること。
• 歪勾配およびフレクソエレクトリック効果が2次元酸化物系で大きな分極を生成する役割を理解すること。
• フレクソエレクトリシティとピエゾエレクトリシティを結びつける理論的枠組みを確立すること。

提案手法

• 層転写およびエッチング技術を用いた超薄膜フレークストランドBiFeO3およびSrTiO3膜の作製。
• マイクロフォーミングされたキャニーヴァーを用いて、最大4×10⁷/mに達する制御された歪勾配を印加して膜を曲げること。
• 走査型透過電子顕微鏡およびピエゾレスポンス力顕微鏡を用いたin-situ測定により、分極および歪み場を測定すること。
• 観察された変形挙動を説明するため、結合されたフレクソエレクトリシティおよびピエゾエレクトリシティの式に基づく理論的モデリング。
• 逆方向の機械的負荷下における曲げられたBiFeO3膜の厚さ変化およびポisson比の異常を分析すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高歪勾配下における曲げられたフレークストランドペロブスカイト酸化物で発生するフレクソエレクトリック分極の大きさは何か？
• RQ2 なぜ曲げられたBiFeO3膜の厚さは、従来の弾性挙動とは反対に、可逆的に膨張または収縮するのか？
• RQ3 フレクソエレクトリシティとピエゾエレクトリシティの相互作用が、観察された異常な曲げ変形をどのように支配するのか？
• RQ4 反強誘電体膜の曲げにおいて、厚さ依存性および非典型なポisson比の起源は何か？
• RQ5 理論的モデルは、2次元ペロブスカイト酸化物で観察された電機械的結合を正確に予測できるか？

主な発見

• 最大4×10⁷/mに達する歪勾配下で、曲げられたフレークストランドBiFeO3およびSrTiO3膜に巨大なフレクソエレクトリック応答が観察された。
• 曲げられたBiFeO3膜で可逆的な厚さ変化が測定され、異常な曲げ誘発膨張または収縮を示した。
• 厚さ変化の挙動は、結晶性材料では以前に観察されていなかった、厚さ依存性および異常なポisson比を示唆している。
• 理論的モデリングにより、異常な変形がフレクソエレクトリシティとピエゾエレクトリシティの相乗的相互作用に起因することが確認された。
• 本研究の発見は、2次元ペロブスカイト酸化物において前例のないナノスケールの電機械的結合を明らかにし、極めて大きな分極応答を可能にする。