空間有序排列的周期性極化結構在多態存儲器和納米電子器件領域具有巨大的應用潛力。此前主要通過鐵電疇工程在鐵電薄膜或鐵電超晶格中實現極化結構的周期性排列。然而，對于中心對稱的順電相非極性納米材料，由于缺乏固有的對稱性破缺，目前還沒有有效的方法能在非極性納米薄膜中構建并調控有序的周期性極化結構。

近日，西安交通大學力化學耦合與智能介質實驗室提出利用力學褶皺產生的應變梯度在非極性納米薄膜中構建并調控周期性撓曲電極化結構的方法。這種基于撓曲電效應的周期性極化結構調控策略不再局限于鐵電材料或超晶格結構，可廣泛適用于所有極性和非極性納米薄膜。相關成果以“Synthesizing ordered polar patterns in nonpolar SrTiO3nanofilms via wrinkle-induced flexoelectricity”為題發表在國際權威期刊PNAS上。

受自然界和生活中普遍存在的褶皺現象啟發，作者通過控制膜-基系統力學邊界條件實現納米薄膜自組裝失穩褶皺，這種褶皺形貌中存在大量的局部彎曲變形模式，是產生應變梯度和撓曲電效應的沃土。如圖1所示，實驗中首先使用激光脈沖沉積系統以SrTiO3（STO）為襯底，以Sr3Al2O6(SAO)為緩沖犧牲層外延生長制備了STO/SAO/STO多層結構，后使用水溶性犧牲層轉印技術將STO薄膜轉印到施加了預拉伸應變的柔性聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面，轉印完成后釋放預拉伸應變，在PDMS收縮過程中引起STO薄膜失穩褶皺。室溫下STO薄膜為中心對稱非極性材料，當發生褶皺變形時，如圖2所示，褶皺STO薄膜在波峰波谷處由于局部彎曲變形產生了周期性分布的撓曲電極化結構。另外，通過原位PFM拉伸實驗，如圖3所示，發現可以通過改變褶皺STO-PDMS系統的力學邊界條件來力學調控褶皺形貌和對應的應變梯度及撓曲電極化響應。為了進一步理解褶皺STO薄膜產生周期性撓曲電極化結構的微觀機理，作者使用球差校正透射電鏡獲得了褶皺STO薄膜波峰波谷處的原子分辨率圖像，并進一步結合泛函密度理論分析了褶皺STO薄膜中Ti4+離子位移、應變和應變梯度分布規律，揭示了褶皺STO薄膜中產生周期性撓曲電極化結構的微觀機理是應變梯度驅動下的Ti4+離子位移。

該研究中報道的基于撓曲電效應的周期性極化結構不僅適用于中心對稱材料，還可以拓展到其他非中心對稱材料，為未來研究應變梯度工程和撓曲電疇工程提供了新思路。

圖 1. 褶皺SrTiO3納米薄膜的制備過程及形貌表征

圖 2. (a-d) 壓電力顯微鏡（PFM）掃描得到褶皺STO薄膜中的周期性極化圖案及（e~g）對應的截面波形

圖3. (a) 原位拉伸PFM實驗示意圖；（b）褶皺形貌隨應變邊界變化規律；（c~f）不同應變條件下褶皺STO薄膜中的應變梯度和極化響應變化規律

圖 4. (a~d)褶皺STO薄膜波峰波谷處原子分辨率圖像及Ti4+離子位移；（e~g）波峰波谷處薄膜面內應變及應變梯度分布（h~i）Ti4+離子位移、電荷分布和電極化分布規律

西安交通大學博士研究生尚紅星為論文第一作者，盛唐、董惠婷為論文共同一作，西安交通大學博士研究生吳宜涵、馬謙謙、張鑫、呂令通、曹宏宇、鄧鋒助理研究員和胡淑玲教授參與了論文的相關工作，梁旭教授和申勝平教授為論文共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金委優秀青年、面上項目的資助。

論文論文：

www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2414500121