Selective control of multiple ferroelectric switching pathways using a trailing flexoelectric field

노태원 교수, 박성민 학생 연구팀은 변전효과(flexoelectric effect)를 이용해 강유전체의 수평 방향 분극을 선택적으로 제어하면서 위-아래 한쪽방향으로만 제어가 가능했던 기존 연구의 한계를 극복했다. 비스무스산화철(BiFeO3)을 나노박막 형태로 증착한 뒤, 주사탐침현미경의 탐침(Tip)으로 나노박막에 힘을 가하며 박막 내부의 분극 변화를 관찰했다. 그 결과, 아주 얇고 뾰족한 탐침으로 나노박막을 누르며 움직이면 탐침의 이동방향에 따라 비스무스산화철 내부의 분극 방향(180。, 71。)을 선택적으로 제어할 수 있다는 흥미로운 사실을 발견했다. 연구진은 탐침이 누르며 지나가는 방향에 따라 강유전체 내부 분극 방향이 전환되는 현상을 ‘후행 변전장(Trailing Flexoeletric Field)’이라는 새로운 개념으로 설명했다. 이후 위상장 시뮬레이션 기법(Phase Field Simulation)으로 저명한 미국 펜실베니아 주립대학교의 첸(L. Q. Chen) 교수와 함께 실험 결과를 이론적으로 입증하는데 성공했다. 본 연구에서 개념적으로 적립된 후행 변전장(trailing flexoelectric field)은 복잡한 분극 배열을 만들어 재미있는 물리현상을 구현할 수 있는 실험적 도구로 활용될 뿐만 아니라 물질 내부의 전하 운반체들의 분포를 변화시켜 다양한 물성을 관찰하는 등 변전효과의 활용 및 연구 폭을 크게 확대할 것으로 기대된다.

논문 초록:
Flexoelectricity is an electromechanical coupling between electrical polarization and strain gradient, enabling mechanical manipulation of polarization without applying an electrical bias. Recently, the flexoelectricity was directly demonstrated by mechanically switching the out-of-plane polarization of a uniaxial system with an scanning probe microscopy tip. However, its application to low-symmetry multiaxial ferroelectrics and consequently active manipulation of multiple domains via flexoelectricity is still lacking. Here, we demonstrate that symmetry-breaking flexoelectricity offers a powerful route for selective control of multiple domain switching pathways in multiaxial ferroelectric materials. Specifically, we use a trailing flexoelectric field, created by the motion of a mechanically loaded SPM tip. By controlling the SPM scan direction, we deterministically select either stable 71° ferroelastic switching or 180° ferroelectric switching in a multiferroic magnetoelectric BiFeO3 thin film. Phase-field simulations reveal that the amplified in-plane trailing flexoelectric field is essential for such domain engineering. Moreover, we show that mechanically switched domains has a good retention property. This work opens a new avenue for deterministic selection of nanoscale ferroelectric domains in low-symmetry materials for non-volatile magnetoelectric devices and multilevel data storage.

Authors: Sungmin Park, Bo Wang, Saikat Das, Seung Chul Chae, Jin-Seok Chung, Jong-Gul Yoon, Long-Qing Chen, Sang Mo Yang* & Tae Won Noh*

https://www.nature.com/articles/s41565-018-0083-5