氧化物薄膜中挠曲电效应的微观机制

现代机电致动器与传感器依赖于将应变与电极化线性耦合的压电效应。然而，该效应仅限于缺乏中心反演对称性的材料。相比之下，挠曲电效应将应变梯度与电极化耦合，是任意对称性绝缘材料的普适性质。由于应变梯度与材料尺寸呈反比关系，挠曲电效应在纳米尺度上变得显著。在此，我们使用多层电子叠层衍射成像测量钛酸锶中应变梯度诱导的结构畸变。该技术能够对占主导的氧-钛畸变进行可靠的皮米级测量，并校正了限制传统成像方法的伪影。这使我们能够直接测量挠曲电极化中净离子贡献的符号。在实验测量的指导下，第一性原理计算展示了如何通过调节应变状态来切换钛酸锶中挠曲电系数体贡献的符号与大小。光学软声子模与声学声子模之间的杂化驱动了这一转变，在共振处产生了巨大的响应与极性反转。这种应变依赖性可能解释了先前报道的钛酸锶挠曲电系数数值中的符号差异及数量级变化。由于弯曲薄膜的应变状态可调，我们的方法也提出了一种以应变为控制参数来工程化纳米尺度挠曲电极化的途径。