A 2D ferroelectric vortex pattern in twisted BaTiO3 freestanding layers

铁电性 涡流 极化(电化学) 材料科学 纳米尺度 挠曲电 电场 凝聚态物理 纳米技术 物理 光电子学 电介质 化学 量子力学 热力学 物理化学
作者
Gabriel Sánchez‐Santolino,V. Rouco,Sergio Puebla,Hugo Aramberri,Víctor Zamora,Mariona Cabero,Fabián Cuellar,Carmen Munuera,F. J. Mompeán,M. Garcı́a-Hernández,Andrés Castellanos-Gómez,Jorge Íñiguez,C. León,J. Santamarı́a
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:626 (7999): 529-534 被引量:43
标识
DOI:10.1038/s41586-023-06978-6
摘要

Abstract The wealth of complex polar topologies 1–10 recently found in nanoscale ferroelectrics results from a delicate balance between the intrinsic tendency of the materials to develop a homogeneous polarization and the electric and mechanical boundary conditions imposed on them. Ferroelectric–dielectric interfaces are model systems in which polarization curling originates from open circuit-like electric boundary conditions, to avoid the build-up of polarization charges through the formation of flux-closure 11–14 domains that evolve into vortex-like structures at the nanoscale 15–17 level. Although ferroelectricity is known to couple strongly with strain (both homogeneous 18 and inhomogeneous 19,20 ), the effect of mechanical constraints 21 on thin-film nanoscale ferroelectrics has been comparatively less explored because of the relative paucity of strain patterns that can be implemented experimentally. Here we show that the stacking of freestanding ferroelectric perovskite layers with controlled twist angles provides an opportunity to tailor these topological nanostructures in a way determined by the lateral strain modulation associated with the twisting. Furthermore, we find that a peculiar pattern of polarization vortices and antivortices emerges from the flexoelectric coupling of polarization to strain gradients. This finding provides opportunities to create two-dimensional high-density vortex crystals that would enable us to explore previously unknown physical effects and functionalities.

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