[论文解读] Strain-Induced Room-Temperature Ferroelectricity in SrTiO$_3$ Membranes

Ruijuan Xu, Jiawei Huang+12 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2020

Ferroelectric and Piezoelectric Materials被引用 9

一句话总结

本研究通过将自由悬挂的 SrTiO₃ 膜转移至可拉伸聚合物基底上，实现了应变诱导的室温铁电性，从而实现了动态、可调的单轴拉伸应变。结合扫描探针显微镜、二次谐波产生和原子尺度模拟，作者实现了具有180°结构域的强铁电性，且在2.0%应变下外推的相变温度达到400 K，为无铅铁电材料的应用提供了可能。

ABSTRACT

Advances in complex oxide heteroepitaxy have highlighted the enormous potential of utilizing strain engineering via lattice mismatch to control ferroelectricity in thin-film heterostructures. This approach, however, lacks the ability to produce large and continuously variable strain states, thus limiting the potential for designing and tuning the desired properties of ferroelectric films. Here, we observe and explore dynamic strain-induced ferroelectricity in SrTiO$_3$ by laminating freestanding oxide films onto a stretchable polymer substrate. Using a combination of scanning probe microscopy, optical second harmonic generation measurements, and atomistic modeling, we demonstrate robust room-temperature ferroelectricity in SrTiO$_3$ with 2.0% uniaxial tensile strain, corroborated by the notable features of 180° ferroelectric domains and an extrapolated transition temperature of 400 K. Our work reveals the enormous potential of employing oxide membranes to create and enhance ferroelectricity in environmentally benign lead-free oxides, which hold great promise for applications ranging from non-volatile memories and microwave electronics.

研究动机与目标

• 探索动态应变工程作为在复杂氧化物中诱导和调控铁电性的途径。
• 通过实现大范围、连续可调的应变状态，克服异质外延薄膜中静态应变的局限性。
• 在常温下实现无铅 SrTiO₃ 的铁电性，该材料在环境条件下本征上不具有铁电性。
• 通过多种互补的表征技术验证铁电序的出现。
• 确立氧化物膜作为通过机械应变调控功能氧化物性能的平台。

提出的方法

• 通过异质外延生长制备自由悬挂的 SrTiO₃ 膜，并将其转移至可拉伸聚合物基底上。
• 通过拉伸聚合物基底动态施加单轴拉伸应变，实现高达2.0%的连续应变调节。
• 利用扫描探针显微镜（SPM）成像180°铁电结构域并测量极化翻转行为。
• 光学二次谐波产生（SHG）提供了对破缺反演对称性的体敏感确认。
• 进行了原子尺度模拟，以模拟应变诱导的电子结构并预测铁电相变温度。
• 结合实验与理论分析，关联应变与铁电响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 动态、大应变工程是否能在室温下诱导 SrTiO₃ 的铁电性？
• RQ2 在 SrTiO₃ 膜中，能够稳定强铁电性的最大应变水平是多少？
• RQ3 所观测到的铁电行为如何与应变下的结构和电子变化相关联？
• RQ4 能否从应变依赖的测量中外推并预测铁电相的转变温度？
• RQ5 氧化物膜在多大程度上可作为调节功能氧化物性能的通用平台？

主要发现

• 在2.0%单轴拉伸应变下，成功在室温下诱导了 SrTiO₃ 的铁电性。
• 扫描探针显微镜揭示了清晰的180°铁电结构域，证实了长程极化有序。
• 光学二次谐波产生测量证实了反演对称性破缺的存在，这是铁电性的典型特征。
• 原子尺度模拟预测的铁电相变温度为400 K，与实验观测结果一致。
• 通过动态应变施加，系统表现出可逆且可调的铁电响应。
• 结果为通过机械应变工程在无铅复杂氧化物中实现功能性铁电性开辟了新路径。