铁电薄膜中尖端力诱导开关的机制：退极化、剪切应变与挠曲电效应的交叉作用

摘要： 近期观测到的铁电极化机械开关现象，使铁电材料的力学操控与传统电学操控具有了同等地位。但由于实验情境的复杂性，关于机械载荷引发精确开关机制的讨论仍在持续。本研究基于连续介质力学与热力学建模模拟，分析了铁电薄膜中探针力诱导开关的机制。我们分离并解析了退极化场、剪切应变和挠曲电效应在正/滑移加载模式下对机械开关的作用，揭示了薄膜内退极化场可实现双向开关的特性，证实了剪切应变与极化分量耦合在滑移加载模式中的重要性，阐明了挠曲电修正极化边界条件对开关过程的显著影响，并验证了此前关于开关过程存在中间顺电相的推测。进一步给出了加载力、失配应变、温度及薄膜厚度对各机制开关行为的调控规律。综合三种机制，我们建立了初始向上/向下极化状态薄膜的机械开关相图。所揭示的各类开关机制特征可为实验验证提供重要依据，而不同影响因素对开关过程的可调性为通过机械工程手段设计和优化铁电器件具有重要指导意义。