背景简介
挠曲电效应描述的是在应变梯度作用下产生电极化或在极化梯度作用下产生机械变形应力的现象。挠曲电效应普遍存在于所有介电材料中，且随着材料尺寸的降低挠曲电效应越明显。挠曲能给二维材料带来意想不到的新性质以及调控器件性能，在可穿戴电子设备、裂纹监测、结构健康监测等领域具有极高的应用价值。施加非均匀应力使材料弯曲，材料顶底面会产生方向相反的应变场。对于具有面外极化的二维铁电材料，由于顶底两个表面的电荷分布情况不同，其电子态密度也会存在差异。因此，对于二维铁电材料，铁电自发极化和挠曲电极化耦合下可能会出现更加有趣的性质。然而，应变梯度导致的挠曲电场与铁电极化场耦合机制尚不明朗。挠曲电效应调控器件性能的详细物理机理也不清楚。这严重阻碍了柔性器件的蓬勃发展。
研究内容
此项研究通过第一性原理计算和非平衡格林函数研究了弯曲 α-In2Se3 单层的电子结构和输运性质。发现在 P↑ 和 P↓ 弯曲的 α-In2Se3 中可以获得两种不同的 II 型能带结构，它们呈现出相反的能带弯曲。P↑ 和 P↓ 弯曲的 α-In2Se3 中心的载流子主要分别是空穴和电子，它们主导着 α-In2Se3 p-i-n (PIN) 场效应晶体管的电流行为。该研究通过弯曲 α-In2Se3 实现了同质异质结的构筑，从而简化了器件的加工过程，并可用作机电传感器。
总结
该工作通过第一性原理计算，发现挠曲电效应能够诱导材料产生新奇的物理性质以及进一步提升器件性能，并解释了挠曲电效应作用的物理机理。单层α-In2Se3挠曲导致了材料在实空间中CBM和VBM的分离，构成了Ⅱ型能带对齐的同质异质结，即通过简单的机械弯曲实现了电子-空穴对的空间分离。挠曲电场和面外偶极子耦合导致能带发生弯曲，挠曲器件相比不挠曲器件，正向电流增大，在偏压为0.8 V时，挠曲器件的电流被放大了27倍。挠曲对器件表现出“应变栅”调控行为。挠曲后的器件整流比大幅提高，相比不挠曲的器件增加了两个数量级，高达107。研究表明，挠曲电效应有助于提升器件性能。该工作为器件性能改善和柔性器件的设计提供了创新性的策略，揭示了多物理场耦合机制，有助于挠曲电相关技术的发展。
参考
- Flexoelectric effects in a bent α-In2Se3 ferroelectric monolayer[J]. Phys. Rev. B, 2024, 110 (1): 014102 (1-8). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.110.014102