近日，南京大学聂越峰团队在自支撑铁电薄膜中实现了超低压强（0.06 GPa）下铁电极化的力场调控，并通过与二维半导体的结合实现了可兼容力和电擦写的铁电场效应原型器件。相关成果以“Ultralow-pressure-driven polarization switching in ferroelectric membranes”为题发表在《Nature Communications》期刊上（DOI: 10.1038/s41467-024-53436-6）。该工作利用自支撑薄膜可自由形变的特性，结合柔性金属底层电极的创新设计，实现了超低压强下的极化翻转调控。与受衬底上束缚的外延薄膜相比，自支撑薄膜允许更自由的晶格畸变，有更多可供选择的极化翻转路径，从而有效降低了铁电极化翻转的势垒。以自支撑PbTiO3（PTO）薄膜为例，理论计算表明，若允许面内晶格常数发生变化，可显著降低面外极化180度翻转的能垒；若极化能通过90度旋转作为中间态，能垒将进一步大幅降低。铁电极化的翻转可以在外加电场和挠曲电场的驱动下发生，其中挠曲电效应是指材料中由于应变梯度导致的极化现象。选择杨氏模量较低的金属作为基底，可以在自支撑薄膜中产生更大的应变梯度，从而产生更大的挠曲电场。因此，结合自支撑薄膜自由形变显著降低势垒的特性，并通过柔性基底获得更大的挠曲电场，可在自支撑薄膜中实现对铁电畴结构的高效力场调控。
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图1. 自支撑铁电薄膜中力场调控极化翻转的设计
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图2. 自支撑PbTiO3薄膜中实现了超低压强（0.06 GPa）下铁电畴的力场调控
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图3.可兼容力和电擦写的非易失性铁电场效应原型器件
南京大学现代工程与应用科学学院杨昕瑞博士、韩露博士、南京大学电子科学与工程学院宁宏凯博士、北京理工大学宇航学院博士生许少庆以及南京大学现代工程与应用科学学院博士生浩波为该论文的共同第一作者，聂越峰教授、王欣然教授以及韩露博士为论文的共同通讯作者。南京大学吴迪教授、施毅教授、周健教授、北京理工大学洪家旺教授对本工作给予了重要指导。
该工作得到了国家自然科学基金、科技部国家重点基础研究发展计划、教育部“长江学者奖励计划”、北京市自然科学基金以及博士后创新人才支持计划、博士后面上项目、南京大学“小米青年学者”等项目的资助；此外，南京大学固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室以及重庆超算中心对该项研究工作给予了重要支持。文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53436-6🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。 👏👏👏![]()
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