PRL: 挠曲电调控氧化物异质结界面二维电子气

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挠曲电效应是指电介质材料在非均匀应变作用下产生电极化的现象。与仅存在于非中心对称晶体结构的压电效应不同，由于应变梯度可以打破晶体结构的反演对称性，挠曲电效应因而广泛存在于所有电介质材料中，具有广阔的应用前景。

应变梯度引起的挠曲电效应可等效为外加电场。在这一等效电场的作用下，材料的物理化学等性质可以发生巨大变化，使我们对其应用有更大的拓展空间。2018年，英国华威大学Alexe教授课题组在 Science 发文报道了非均匀应变可以在SrTiO₃等中心对称材料中激发体光伏效应[Science  2018, 360,904],可以称之为挠曲光伏效应。挠曲电效应在一系列铁电薄膜中引起的铁电极化翻转现象[Science 2012, 336, 59; Nat. Nanotechnol. 2018, 13, 366]，是对挠曲电更为直观的演绎，这也使得薄膜材料（相较块体材料，其应变梯度可以提高几个数量级）成为挠曲电研究的一个重要载体。利用挠曲电产生的附加电场，科学家用纯机械方法实现了对信息“0“和”1”的读写，为高密度机械式存储器提供了基础[Science　2012, 336, 59；Adv. Mater. 2017,29,1702210]。由此可见，挠曲电效应对薄膜材料物理性质的调控,有望在异质结中发掘更丰富更显著的物理特性。

另一种由“非对称”引起的物理现象，是聚集于钙钛矿氧化物异质结LaAlO₃/SrTiO₃(LAO/STO)界面的二维电子气（2DEG）［Nature 2004, 427, 423.］。该工作2004年发表后即被《科学》（Science）杂志评为年度十大重要突破领域。由于LAO/STO界面处的对称性破缺，这一由两个非磁绝缘体构成的异质结界面惊人地表现出超导、磁性以及Rashba自旋轨道耦合等丰富的物理性质。该体系在场效应器、磁性隧道结以及阻变等低耗能氧化物电子器件中具有令人期待的应用前景。［Science 2007,317,1196;Nat. Phys. 2011,7,762; Phys. Rev. Lett. 2010,104,126803.］而通过实现精准调控2DEG则更能加速此体系的应用。

LAO/STO异质结中二维电子气的形成离不开LAO外延薄膜内极化不连续所致的电势坍塌（polar catastrophe）机制，当该结构或机制受到挠曲电场影响时，其界面处的电子分布也应该受到影响（图1）。基于上述理论假设，香港理工大学戴吉岩教授课题组与北京理工大学洪家旺教授课题组同其他国内外科研团队合作，深入研究了挠曲电效应对LAO/STO异质结中二维电子气的调控，其结果以题为《界面挠曲电调控LaAlO₃/SrTiO₃异质结中二维电子气的电输运》(Modulating the ElectricalTransport in the Two-Dimensional Electron Gas at LaAlO₃/SrTiO₃ Heterostructures by Interfacial Flexoelectricity)的论文于近期在物理学旗舰刊物《物理评论快报》（Physical Review Letter）上发表，并被主编选为Editor’s Suggestion。该文章也被美国物理学学会Physics杂志引用报道。

 

该工作中，研究人员通过特殊设计的固定器对长条形LAO/STO薄膜样品施加使其可以上下弯曲的机械应力，并在不同弯曲方向和尺度下实时观测到了不同趋势的界面电阻变化，实现了挠曲电对异质结界面二维电子气的精准调控。如图2所示，u型弯曲使得界面电阻减小，n型弯曲反而使得界面电阻增大。实验数据表明，该调控结果主要由LAO薄膜的挠曲电场作用下LAO/STO界面载流子密度及电荷迁移率改变导致。同时，实验中还发现厚度为20单位晶格厚度的LAO薄膜的等效挠曲电系数较其块体有至少3个数量级的增强。作者在论文中推测这一挠曲电的增强可能与LAO薄膜和STO衬底之间大约3%的晶格不匹配有关。第一性原理计算进一步证实不同弯曲（挠曲电场）下界面导电性的变化，u（n）型弯曲带来的挠曲极化与LAO中本征极化叠加（抵消），进而增强（减弱）电势坍塌（polar catastrophe），故引起界面载流子浓度增加(减小)，从而实现对二维电子气性能的精准调控。这一工作将挠曲电效应的研究拓展到氧化物异质结领域，将激发更多关于氧化物界面挠曲电效应以及相关器件应用的研究。

香港理工大学应用物理系张帆博士与北京理工大学宇航学院博士研究生吕鹏为该论文共同第一作者。香港理工大学应用物理系戴吉岩教授与北京理工大学宇航学院洪家旺教授为本论文共同通讯作者。合作者包括青岛大学、美国北卡州立大学、中科大等单位人员。香港理工大学戴吉岩教授课题组近年来致力于利用PLD和MBE等设备生长各类薄膜（氧化物材料、拓扑材料等），并对其进行微观结构、电磁输运性质和力电耦合性质等的表征和测量，其研究成果在PRL、AM、ACS nano、PRB、PRM等期刊发表。北京理工大学洪家旺教授课题组近年来一直从事先进材料的力电磁热光等多物理场耦合行为的第一性原理与非弹性中子散射研究，相关研究成果发表在Science、Nature、NaturePhysics、PRL、PRB等期刊，是国际上较早从事挠曲电效应研究的课题组。

本工作得到香港研究资助局优配研究金(GRF)、香港创新及科技基金(ITF)、国家自然科学基金(NSFC)、青年千人计划、泰山学者青年专家计划的支持。该工作中理论计算部分利用广州国家超级计算机中心资源进行，并得到NSFC-广东联合基金超算应用专项机时资助。

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