近日，北京理工大学洪家旺教授、王学云副教授团队在低维材料的铁电畴力学调控研究中取得重要进展，相关成果以“Ultralow tip-force driven sizable-area domain manipulation through transverse flexoelectricity”为题发表于国际权威期刊Advanced Materials。研究团队开发了基于悬浮薄膜的针尖力调控铁电畴方法，利用悬浮薄膜在针尖力作用下的大范围弯曲变形显著增强了薄膜中的横向挠曲电场，进而在二维范德瓦尔斯铁电薄膜（CuInP₂S₆）中以单点针尖力实现了远超针尖-薄膜接触区域的大面积铁电畴翻转，数百纳米厚膜的铁电畴贯穿翻转所需针尖力降低至数微牛，解决了传统畴调控方式难以大面积翻转厚膜铁电畴的难题，为低维材料中铁电畴的挠曲电调控及其器件应用开辟了新途径。

铁电材料凭借其可翻转的自发极化在信息存储、半导整流等电子器件中具有重要应用。实现铁电体内部电畴结构的精准调控是其实际应用的关键。施加外电场是调控铁电畴的常规手段，但电场驱动畴翻转的过程可能会诱发电致损伤等问题。例如，在二维范德瓦尔斯铁电材料铜铟磷硫（CuInP₂S₆）的畴翻转中，针尖局域电场诱发的离子迁移可能损伤薄膜的表面，限制了该材料的实际器件应用。因此，发展多元化的铁电畴调控手段具有重要意义。通过纳米针尖力翻转铁电畴是近年来新兴发展的畴调控手段，该方法能够有效克服电场翻转的缺陷。纳米针尖在薄膜表面的压入能够诱导高达10⁷ m^-1以上的应变梯度以及高于矫顽场的挠曲电场，进而翻转面外/内铁电极化的取向。然而，针尖力诱导的挠曲电场仅仅局限于针尖-薄膜接触区域，导致其只能实现微小面积（~100π nm²）的铁电畴翻转。此外，针尖力诱导的应变梯度沿薄膜厚度方向急剧衰减，导致薄膜底表区域的挠曲电场显著减弱，使得力翻转铁电畴一般限制于厚度100 nm以内的薄膜，限制其在厚膜中的应用。尽管增大针尖力可以增强挠曲电场的作用强度和范围，但同时也会导致更强烈的应力集中，使得薄膜表面更容易发生损伤破坏。因此，迫切需要开发适用于数百纳米级厚膜的超低力调控大面积铁电畴方法。

鉴于此，研究团队针对低维范德瓦尔斯铁电材料开发了基于悬浮薄膜的针尖力调控铁电畴方法（图1A）。通过机械剥离法将范德瓦尔斯铁电薄膜转移至带微孔阵列的硅衬底上以获得悬浮薄膜。由于悬浮薄膜缺少刚性衬底支撑，在针尖力作用下会产生大范围弯曲变形。有限元计算的应变分布（图1B）显示弯曲变形能够产生贯穿薄膜厚度的非均匀面内应变场，导致横向应变梯度及其诱导的挠曲电场显著存在于整个厚度范围内，且广泛存在于悬浮薄膜区域，这解决了传统铁电畴力学调控中挠曲电场作用范围小且沿薄膜厚度方向急剧衰减的关键难题。自由能理论计算结果显示（图1C），悬浮薄膜受弯状态下具有非对称的极化双势阱曲线，这表明增强的横向挠曲电场足以翻转铁电极化。

图1. 基于悬浮薄膜的针尖力调控铁电畴方法。（A）畴调控示意图；（B）薄膜面内应变分布；（C）应变梯度作用下的铁电极化双势阱曲线。

结合原子力显微镜的力-曲线模块（Force-curve）和压电力响应显微镜（PFM）测量技术，研究了CuInP₂S₆悬浮薄膜在针尖力作用下的铁电畴翻转行为。PFM结果（图2A-E）显示悬浮区域的铁电畴在单点针尖力作用下能够发生自上而下的180度翻转，畴翻转面积高达针尖接触面积的2500倍。在250～550 nm厚膜中依然能够稳健实现大面积的畴翻转，所需针尖力随膜厚增加而增大，在足够大的针尖力作用下，最终可获得近乎完美的单畴结构。铁电畴被翻转后并不会破坏薄膜表面形貌且能够长时间保持稳定不变（10个月以上），具有良好的非破坏性和非易失性。

图2. 针尖力诱导的大面积铁电畴翻转：（A-E）不同厚度CIPS悬浮薄膜中的铁电畴力学调控；（F, G）考虑与不考虑横向挠曲电效应贡献的挠曲电场分布；（H）畴翻转临界力与薄膜厚度间的三次方正比关系。

结合有限元计算和理论分析（图2F-H）,揭示了大范围显著存在的横向挠曲电效应以及畴翻转临界力关于薄膜厚度三次方的正比关系，充分证实了悬浮薄膜中增强的横向挠曲电场是实现大面积畴翻转的关键。结合在逐级增大针尖力作用下的畴演化实验结果（图3），进一步揭示了自上而下的单向畴翻转特性以及基于畴壁横向移动的畴翻转机制。由横向挠曲电场驱动的畴壁移动机制所需克服的能量势垒较低，有利于大面积畴翻转。

图3. 铁电畴翻转的动态演化过程：（A）逐级增大针尖力作用下的铁电畴结构；（B，C）畴分数和畴壁长度关于针尖力的变化曲线。

通过与传统调控方式的对比（图4）可以发现，基于刚性支撑薄膜的传统调控方法，畴翻转所需针尖力随膜厚增加而急剧增大，当膜厚超过100nm时，针尖力高达数十微牛，因而严重限制了其在厚膜中的应用。然而，基于悬浮薄膜的畴调控新方法能够突破膜厚的限制，将膜厚的适用范围提升了一个数量级，达到了数百纳米。对于百纳米级厚膜，仅需数微牛的针尖力即可实现大面积的铁电畴翻转。该方法大大增强了铁电畴力学调控的适用性。

图4. 铁电畴翻转的临界力关于薄膜厚度的变化曲线。蓝色区域代表基于刚性支撑薄膜的传统调控方法，黄色区域代表基于悬浮薄膜的畴调控方法。

伦应焯博士和王学云副教授为本论文的共同第一作者，洪家旺教授为论文通讯作者，北京理工大学为论文第一单位，黄厚兵教授、陈亚彬教授、陈龙庆教授和方岱宁院士对该研究工作给予了重要帮助。该研究工作获得了国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京市自然科学基金以及北京理工大学研究生科技创新项目的资助。

全文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202302320

附作者介绍：

伦应焯，博士，2023年毕业于北京理工大学宇航学院力学系，主要从事先进功能材料多场耦合力学及挠曲电效应研究。以第一/共一作者在Nat. Commun., Adv. Mater., J. Mech. Phys. Solids, Int. J. Solids Struct.和Nano Lett.等国际期刊发表学术论文10篇，国家授权发明专利2项，主持优秀博士论文育苗基金和研究生科技创新项目各1项，曾获国家奖学金（3次）、北京市优秀博士毕业生、北京理工大学优秀研究生标兵（2次）、北京理工大学优秀博士学位论文等奖励。

王学云，北京理工大学长聘副教授，博士生导师。中国人民大学物理系获得学士学位，美国Rutgers, the State University of New Jersey获得物理学博士学位。主要从事铁电压电，二维材料功能性畴结构的形成演化机制、多场（力，热，电，磁，化学势等）耦合调控机理与潜在应用的研究。发表SCI论文100余篇，包含Science, Nature, Nature Physics, Nature Materials, Phys. Rev. Lett.等。