[논문 리뷰] Giant Polarization and Abnormal Flexural Deformation in Bent Freestanding Perovskite Oxides

Songhua Cai, Yingzhuo Lun외 16명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 07.

Ferroelectric and Piezoelectric Materials참고 문헌 35인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 균열 없는 퍼보스카이트 산화물 막에서 기계적 굽힘 변형에 의해 유도된 응력 기울기 최대 4×10⁷/m로 인해 거대한 플렉소전기 극화와 비정상적인 두께 의존성 굽힘 변형을 입증한다. 비정상적인 굽힘에 의한 팽창/수축 및 이국적인 푸아송 비율 행동은 플렉소전기성과 피에조전기성의 상호작용에서 기인하며, 이는 유연한 나노기계전자 시스템을 위한 2차원 산화물 이종구조에서 전례 없는 전기기계 결합을 드러낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 굽힘 변형 하에서 초박공 자유지지 퍼보스카이트 산화물의 전기기계적 반응을 조사하기 위해.
• 굽힘 중 반도체 BiFeO3 막에서 비정상적인 두께 변화의 기원을 탐구하기 위해.
• 응력 기울기와 플렉소전기 효과가 2차원 산화물 시스템에서 큰 극화를 유도하는 데서 수행하는 역할를 이해하기 위해.
• 플렉소전기성과 피에조전기성을 연결하는 이론적 프레임워크를 수립하기 위해.

제안 방법

• 층상 전달 및 에칭 기술을 이용한 초박공 자유지지 BiFeO3 및 SrTiO3 막의 제작.
• 최대 4×10⁷/m에 이르는 제어된 응력 기울기를 유도하기 위해 마이크로제작 캔틸레버를 이용한 막 굽힘.
• 투과형 전자현미경 및 피에조반응력 현미경을 이용한 현장 캐릭터라이제이션을 통한 극화 및 응력장 측정.
• 관측된 변형 거동을 설명하기 위한 결합된 플렉소전기성과 피에조전기성 방정식 기반 이론적 모델링.
• 역행성 기계적 하중 하에서 굽어진 BiFeO3 막의 두께 변화 및 푸아송 비율 이질성 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고응력 기울기 하에서 굽어진 자유지지 퍼보스카이트 산화물에서 생성된 플렉소전기 극화의 크기는 얼마인가?
• RQ2 왜 굽힘 중 BiFeO3 막의 두께는 기존의 탄성 거동과는 반대로 가만히 팽창하거나 수축하는가?
• RQ3 플렉소전기성과 피에조전기성의 상호작용은 관측된 비정상적인 굽힘 변형을 어떻게 규제하는가?
• RQ4 왜 굽힘 하에서 반도체 막에서 두께 의존성 및 이례적인 푸아송 비율이 발생하는가?
• RQ5 이론적 모델은 2차원 퍼보스카이트 산화물에서 관측된 전기기계 결합을 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 응력 기울기가 최대 4×10⁷/m에 이르는 굽어진 자유지지 BiFeO3 및 SrTiO3에서 거대한 플렉소전기 반응이 관측되었다.
• 굽어진 BiFeO3 막에서 역행성 두께 변화가 측정되어 비정상적인 굽힘에 의한 팽창 또는 수축을 시사한다.
• 두께 변화는 이전에 결정성 물질에서 관측되지 않은 두께 의존성 및 이례적인 푸아송 비율을 암시한다.
• 이론적 모델링은 비정상적인 변형이 플렉소전기성과 피에조전기성의 상호보완적 상호작용에서 기인함을 확인했다.
• 이러한 발견은 2차원 퍼보스카이트 산화물에서 전례 없는 나노스케일 전기기계 결합을 드러내며, 극도로 큰 극화 반응을 가능하게 한다.