自应变碲单质铁电体的挠曲电调控：极化旋转增强压电响应与能量收集性能

本研究针对单质铁电体极化调控策略匮乏的难题，开发了基于自应变碲（Te）纳米针的挠曲电-铁电耦合调控新方法。通过超快气相生长技术构建具有显著应变梯度的Te纳米结构，观察到9.55 μC/cm2的横向挠曲电极化，诱导产生18°的铁电极化旋转，使矫顽场提高165%、压电系数d33提升75%。基于此开发的碲基纳米发电机展现出卓越的能量收集性能，为单质铁电器件设计提供了新思路。

　　

在功能材料领域，铁电材料因其可切换的自发极化特性，在非易失性存储器、神经形态计算和能量收集等领域具有重要应用价值。然而传统铁电体多为复杂化合物，存在成分调控困难、界面缺陷等问题。更令人困扰的是，近年来发现的单质铁电体（如碲纳米线）虽具有结构简单、纯度高等优势，但其极化调控手段仍待探索。如何在不引入外来组分的前提下实现单质铁电体的性能优化，成为制约其实际应用的关键瓶颈。

针对这一挑战，中国科学院的研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表创新成果，通过超快气相生长技术构建了具有本征应变梯度的碲（Te）纳米针结构。研究人员采用原子力显微镜（AFM）结合压电力显微镜（PFM）表征、密度泛函理论（DFT）计算、高角度环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）分析等技术，系统研究了应变诱导的挠曲电-铁电耦合效应。

【铁电增强的自应变Te】通过1分钟超快生长获得的Te纳米针呈现显著的直径梯度变化（40-130 nm），二次谐波成像证实其非中心对称结构。PFM测量显示应变区域矫顽场达无应变区的2.65倍，压电系数d₃₃从1.21提升至2.06 pm/V。

【极化旋转机制】拉曼光谱和几何相位分析揭示内部存在6.6×10⁷ m^-1的应变梯度。原子位移测量结合DFT计算证实，9.55 μC/cm²的横向挠曲电极化（P_Flexo）引起18°的极化旋转，与PbTiO₃薄膜的15°旋转相当。

【挠曲电调控铁电极化】构建的Te基铁电隧道结（FTJ）在外加800 nN力时产生6.97 MV/cm的挠曲电场，使整流比发生可逆变化。应变诱导的势垒高度改变（Δ?>0.1 eV）是调控导电性的物理本质。

【增强的能量收集性能】垂直取向的自应变Te纳米发电机在85 N压力下输出2.40 V电压，较无应变样品提高37%。各向异性测试显示沿c轴的压电系数d₃₃达16.24 pC/N，是a轴方向的4.5倍。

该研究开创性地利用生长位错产生的本征应变梯度，实现了单质铁电体的性能调控，避免了传统外延应变对衬底的依赖。所开发的Te基纳米发电机成功驱动商业LED并模拟突触可塑性，为发展高性能单质机电器件提供了新范式。这种"自下而上"的应变工程策略，不仅适用于碲材料体系，也为其他单质铁电体的设计开辟了新途径。