Enhanced flexoelectricity at reduced dimensions revealed by mechanically tunable quantum tunnelling /

변전효과 (flexoelectricity) 란 유전체 물질을 휘었을 때 즉, 변형기울기 (strain gradient)가 형성 되었을 때, 압전효과처럼 그 내부에 분극이 생기는 electromechanical coupling을 말한다. 이 효과는 압전효과와는 달리 모든 고체 물질군에서 일어날 수 있고, 크기가 줄어들수록 효과가 커진다는 점에서 앞으로 이미 산업적으로 큰 시장을 형성하고 있는 압전효과를 대체 할 수 있는 대안으로서 최근에 큰 관심을 받고 있는 효과이다. 하지만, 큰 문제점 중에 하나가 각각의 물질에서 분극과 변형 기울기 사이의 상관계수 (flexoelectric coefficient)를 측정하는 방법론에 관한 것이다. 실제로 미시세계로 물질의 크기가 줄어들었을 때 변전효과가 커진다는 것은 상관계수가 변하지 않는다는 가정하에 가능한 일이다. 이번 논문을 통해 저자들은 아주 얇은 SrTiO3 박막에 변형기울기를 가할 때 양자 터널링 전류가 변화되는 점을 발견했고, 이를 통해 미시세계에서의 상관계수 측정방법을 처음으로 고안하고 상관계수가 거시세계에서의 값보다 증폭된다는 것을 발견하였다. 이를 통해 미시세계에서의 변전효과를 측정할 수 있는 방법을 제시하였고 변전효과를 통한 양자 효과의 제어의 가능성을 제시하였다. 본 연구성과는2월 1일자 Nature Communications에 출간되었다.

Flexoelectricity is a universal electromechanical coupling effect whereby all dielectric materials polarise in response to strain gradients. In particular, nanoscale flexoelectricity promises exotic phenomena and functions, but reliable characterisation methods are required to unlock its potential. Here, we report anomalous mechanical control of quantum tunnelling that allows for characterising nanoscale flexoelectricity. By applying strain gradients with an atomic force microscope tip, we systematically polarise an ultrathin film of otherwise nonpolar SrTiO3, and simultaneously measure tunnel current across it. The measured tunnel current exhibits critical behaviour as a function of strain gradients, which manifests large modification of tunnel barrier profiles via flexoelectricity. Further analysis of this critical behaviour reveals significantly enhanced flexocoupling strength in ultrathin SrTiO3, compared to that in bulk, rendering flexoelectricity more potent at the nanoscale. Our study not only suggests possible applications exploiting dynamic mechanical control of quantum effect, but also paves the way to characterise nanoscale flexoelectricity.

Authors: Saikat Das, Bo Wang, Tula R. Paudel, Sung Min Park, Evgeny Y. Tsymbal, Long-Qing Chen, Daesu Lee, Tae Won Noh
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-019-08462-0