The flexoelectric effect is a ubiquitous electromechanical phenomenon arising in any dielectric material. Despite of its ubiquitousness, it is relatively insignificant in the macroscopic scale because applying a large strain gradient without fracturing or cracking is a hard task. In nanoscale systems, however, huge gradients as much as $10^5$ ~ $10^7 m^{-1}$ are often present, and the flexoelectric effect becomes one of the major electromechanical couplings. In this work, the photocurrent enhancement at the interfaces bearing large strain gradients due to the flexoelectric effect is addressed. The morphotropic phase boundary of the bismuth ferrite thin film system is used as the model system. The vector piezoresponse force microscopy technique is developed to visualize the complex domain structures in the vicinity of the phase interfaces. The interfaces under large strain gradients show the dipolar feature implying the presence of the depolarization field originated by the flexoelectric effect. Based on the experimental observations and the phase field simulation, the non-linear flexoelectric effect arising at the non-centrosymmetric system is proposed. To deepen the understanding of the flexoelectricity, the ionic chain network model reproducing the flexoelectric effect is introduced. The conventional linear flexoelectric effect and the quadratic flexoelectric effect are manipulated by tuning the model parameters. In the model system, the difference in the interaction strengths among the same kind ions is responsible for the linear flexoelectric effect. Also the broken inversion symmetry generates the quadratic flexoelectric effect, and the marginal strain gradient that the linear and quadratic flexoelectric effects give the same magnitude of polarization is estimated.
플렉소 전기 효과는 유전체 재료에서 항상 발생하는 전기기계 현상입니다. 그 편재성에도 불구하고, 거시계에서는 커다란 변형구배를 받을경우 쉬이 재료에 균열이 가거나 깨지기 때문에 그 효과를 관찰하기 어려웠습니다. 그러나 나노 스케일 시스템에서는 $10^5$ ~ $10^7 m^{-1}$에 달하는 큰 변형구배가 발견되며, 이런 시스템에서는 플렉소전기 효과가 큰 영향을 끼치게 됩니다. 이 연구는 강유전물질인 비스무트 페라이트에서 플렉소 전기효과로 인해 발생하는 상경계면에서의 유발되는 쌍극자대전 구획벽과 광전류증폭현상을 관찰하였습니다. 그 과정에서 벡터 압전감응 힘 현미경 기술을 도입하여 비스무트 페라이트가 형성하는 큰 변형구배를 수반한 혼합상 영역의 압전반응, 나아가 유전 유전분극을 시각화하는데에 성공했습니다. 관찰한 결과를 페이즈 필드 시뮬레이션을 통해 재현하는 과정에서, 반전대칭성이 깨진 계에서는 플렉소전기현상의 비선형 거동이 나타나며 큰 변형구배 환경에서는 기존의 선형항보다 비선형항이 더 중요한 역할을 할 수 있을 것이라는 가설을 세웠습니다. 이를 가설을 테스트 하고 플렉소전기현상 자체에 대한 이해를 높이기 위하여 단순화된 이온 체인 네트워크 모델을 도입했습니다. 이온들간에 상호작용력을 조절함으로써 시스템의 플렉소전기계수를 조작할 수 있었으며, 그 과정에서 같은 종의 이온들간의 상호작용력 크기가 선형 플렉소현상을 지배하는 것을 발견했습니다. 또한 반전대칭을 인위적으로 깼을 경우 예상대로 변형구배의 제곱에 비례하는 2차 플렉기전기효과를 관찰할 수 있었으며, 물리적으로 접근가능한 변형구배 영역 내에서 2차 플렉소전기 효과가 기존의 선형플렉소전기효과를 넘어서는 것을 확인했습니다.
