多铁性材料因同时具备铁电、铁磁、铁弹等多重有序性，是实现下一代低功耗光电器件、磁电存储器的核心候选材料。铁酸铋（BiFeO3，BFO）作为典型的单相多铁材料，室温下具有高饱和极化（>100 μC/cm2）、合适的可见光带隙（~2.7 eV）、优异的磁电耦合特性及铁弹特性。研究表明，BFO薄膜的光电、磁电等物理性能显著依赖于铁弹畴结构。有效调控BFO薄膜中的铁弹畴状态（如畴壁取向/宽度和畴密度），为调控材料的物理性能和开发定制化功能器件提供了一种有前景的“微结构工程”策略。然而，由于缺乏有效的加载方法，目前难以在BFO薄膜中实现铁弹畴结构从条纹态到单畴态的可控转变。此外，传统通过电场或化学方法调控BFO畴结构的策略存在明显局限：电场调控易引入电荷注入干扰，化学方法依赖表面改性且难以实现纳米尺度精准控制，限制了微结构工程策略调控BFO薄膜物理性能和开发定制化功能器件的潜力。
近日，中山大学材料学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室陈伟津教授课题组，结合扫描探针显微镜（SPM）实验与相场模拟，证实纳米压痕可以作为一种有效的力学手段操控BFO薄膜铁弹畴状态和光电响应，为多铁材料的畴工程与功能调控开辟新路径。研究发现，在具有原始71°铁弹条纹畴的BFO薄膜上施加纳米压痕，可以触发畴结构从高密度条纹畴向单畴的翻转。由于压痕引入的局域剪切应变场具有四极对称性，压痕周围会形成独特的、与压头取向无关的稳定“风车状”单畴图案（图1）。该图案的尺寸取决于加载力大小，展现出良好的可调性。尤为重要的是，这种力学畴翻转直接改写了材料的光电响应。实验表明，条纹畴区域（富含畴壁）具有较高的局域光电流，而压痕形成的单畴区域（无畴壁）光电流显著降低，两者之间的开关比超过一个数量级（图2）。这意味着，仅通过纳米压痕这一非电学手段，就能实现光电信号的“开”与“关”，为揭示畴结构调控光电性能的内在机制提供新思路。
图1. 纳米压痕诱导的“风车状”单畴图案。a, 纳米压痕加载示意图。b, 压痕作用下薄膜中剪切应变分布。c, 压痕前薄膜条纹畴结构。d, “风车状”单畴区域随着压痕载荷的增加从压痕点向外逐渐扩张。
图2. 纳米压痕对BFO薄膜局部光响应的调制。 a-d, 在11 mN压痕点附近不同激光功率下的光电流分布图。e, 压痕前后光电流分布曲线。f, 不同激光功率光电流分布曲线。g, 5×5μm2范围内平均光电流与激光功率的关系。h, 压痕前后不同畴结构区域的平均光伏电流与激光功率的关系。i, 不同激光功率下光电流的开关比。j-k, 力门控畴壁光电晶体管示意图。
更进一步，研究团队展示了该技术的图案化加工潜力。通过设计4×4的纳米压痕阵列，成功在BFO薄膜中制备出网格状畴结构，将原本均匀的条纹畴分割成被光电流低的单畴带隔离开的、具有高光电流特性的“孤立岛屿”，实现光电性能的空间调制（图3）。稳定性测试表明，这些力学诱导的畴图案在室温环境下可稳定保持两个月以上。这种按需定制的复杂畴图案，展示了利用纳米压痕技术直接“力学光刻”器件功能单元的可行性，为微纳光电器件（如力控光电开关、图案化光电探测器）的制造提供新型的力学加工技术。
图3. 利用纳米压痕阵列实现畴结构与光电性能的图案化。a, 4×4压痕阵列的形貌图。b, 对应的面内PFM相位图，每个压痕点周围形成风车状单畴，相互连接构成网格。c, 光电流分布图，高光电流被限制在网格包围的“岛屿”内。d, 纳米压痕对BFO薄膜的机械图案化效果示意图。
该成果以“Photovoltaic switches with mechanical knobs: Reconfigurable ferroelastic domain engineering in BiFeO3 thin films via nanoindentation”为题，发表在国际知名期刊《Acta Materialia》上。中山大学为该成果的第一署名单位，材料学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室陈伟津教授与物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室郑跃教授为论文共同通讯作者，材料学院博士后吴梦君为第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委、广东省磁电物性分析与器件重点实验室、广东省磁电物性基础学科研究中心以及光电材料与技术国家重点实验室的大力支持。
