유전체는 오랫동안 전기 스위치에 부적합한 것으로 간주되었다. 약한 전기장에서는 전도도가 매우 낮고, 강한 전기장에서는 돌이킬 수 없는 손상을 입기 때문이다. 이번 연구에서, 변전효과(flexoelectricity)를 통해 나타나는 강한 전기장에 유전체를 노출시키면 전기 상태 (절연 및 전도) 사이의 가역적 전환이 가능하다는 것을 확인했다. 전도성이 있는 원자 힘 현미경 팁으로 전형적인 유전체 SrTiO₃초박막에 압력을 가해서 변형기울기를 적용하면서 동시에 I-V곡선을 측정하였다. 적용된 변형 기울기가 특정 값을 넘어서면, SrTiO₃가 큰 전도성을 보이고 실온 저항이 적어도 약 10⁸ 배 감소하게 된다. 이러한 거대 전도성 변화 현상을 우리는 변전효과에 의해 유도 된 depolarization field에 의한 밴드 구조의 변화로 설명하였다. 이를 통해 손상없이 유전체의 전기적 상태를 제어하는 방법을 제시하였고, 본 연구성과는5월 22일자 Nature Communications에 출간되었다.

Dielectrics have long been considered as unsuitable for pure electrical switches; under weak electric fields, they show extremely low conductivity, whereas under strong fields, they suffer from irreversible damage. Here, we show that flexoelectricity enables damage-free exposure of dielectrics to strong electric fields, leading to reversible switching between electrical states —insulating and conducting. Applying strain gradients with an atomic force microscope tip polarizes an ultrathin film of an archetypal dielectric SrTiO₃ via flexoelectricity, which in turn generates non-destructive, strong electrostatic fields. When the applied strain gradient exceeds a certain value, SrTiO₃ suddenly becomes highly conductive, yielding at least around a 10⁸-fold decrease in room-temperature resistivity. We explain this phenomenon, which we call the colossal flexoresistance, based on the abrupt increase in the tunneling conductance of ultrathin SrTiO3 under strain gradients. Our work extends the scope of electrical control in solids, and inspires further exploration of dielectric responses to strong electromechanical fields.

Authors: Sung Min Park, Bo Wang, Tula Paudel, Se Young Park, Saikat Das, Jeong Rae Kim, Eun Kyo Ko, Han Gyeol Lee, Nahee Park, Lingling Tao, Dongseok Suh, Evgeny Y. Tsymbal, Long-Qing Chen, Tae Won Noh, Daesu Lee

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-020-16207-7