Ferroelastic twin wall is a contact surface of two bulk crystals with different orientations, at which intriguing properties emerge, such as polarity, conductivity, ion accumulation, and magnetization pinning effect absent in the bulk. Although twin walls with a nanoscale width occupy a small volume in a crystal, emergent properties at twin walls can dominate the whole properties of a crystal. Therefore, finding a new functionality emerging at twin walls is important not only for nanodevice applications but also to reveal emerging physical properties. In this thesis, flexopiezoelectricty is introduced as a new phenomenon at twin walls. Despite piezoelectric response has been expected to exist at twin walls, the phenomenon has not been directly observed and explained due to the lack of appropriate materials. We have successfully synthesized WO3 epitaxial films with a hierarchical ferroelastic twin structure. We analyze the strain gradient at twin walls and explore the existence of flexopiezoelectricity. Flexopiezoelectricity is a new phenomenon described by a trilinear free energy density of polarization, strain, and strain gradient. It is the origin of the piezoelectric response at a twin wall, where a large strain gradient exists, in a centrosymmetric material. Successful characterization of flexopiezoelectric symmetry and coefficient along with control of twin wall orientation provide a useful pathway into twin wall electromechanics.
강탄성 쌍도메인 벽은 같은 결정 구조를 가진 두 도메인이 접합된 경계면으로서 도메인에 존재하지 않는 다양한 성질이 발현된다. 특히 쌍도메인 벽에는 강한 변형구배가 내재되어 유전분극, 전기전도성, 이온의 축적, 자기모멘트의 고정효과와 같은 현상이 나타나는데, 수십 나노에 이르는 좁은 영역이지만 물질 전체 성질에 영향을 줄 정도로 영향력이 있다. 따라서 쌍도메인 벽의 새로운 기능성 발견은 재료응용에 중요한 발판이 될 뿐만 아니라, 새로운 물리적 현상에 대한 규명으로서도 중요성을 갖는다. 본 논문에서는 강탄성 쌍도메인 벽에서의 변형구배로 인한 전기기계 현상에 대해 보고한다. 이 현상은 공진압전분광법 같은 간접실험으로 예상되긴 했지만 측정가능한 전기기계 현상이 유발되는 물질의 부재로 직접적인 실험 증거와 물리적 설명이 결여돼 있었다. 따라서 우리는 텅스텐산화물을 이용하여 강탄성 쌍도메인의 나노 구조를 만들고, 구조 및 변형구배로 인한 압전효과에 대해 정량적 분석을 하였다. 이 결과를 통해 변형구배와 전기기계 현상을 연결하는 물리적 상수인 변형구배압전계수를 새로 정의하고 이를 결정하였다. 또한 나노미터 수준인 탐침의 기계적 힘을 이용하여 쌍도메인 벽을 정렬할 수 있었는데, 원하는 방향으로 정렬함으로써 전기기계 현상을 용이하게 활용할 수 있을 것으로 기대한다.