反鐵電鈣鈦礦氧化物中自發(fā)極化具有豐富的調(diào)制序構(gòu)，在電場激勵下可以實現(xiàn)反鐵電態(tài)和鐵電態(tài)之間的可逆或不可逆轉(zhuǎn)變，并伴隨強烈的電荷、體積或熱量變化，成為儲能、換能和驅(qū)動等應(yīng)用的關(guān)鍵物理基礎(chǔ)。近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員許鈁鈁帶領(lǐng)的材料透射電鏡顯微結(jié)構(gòu)表征團隊聯(lián)合研究員王根水率領(lǐng)的鐵電陶瓷材料與器件研究團隊，在鋯酸鉛（PbZrO₃）基反鐵電材料的極化序構(gòu)研究方面取得進展。

目前，理論提出了多種能量相近并相互競爭的極化序構(gòu)，但關(guān)于PbZrO₃基反鐵電材料的基態(tài)結(jié)構(gòu)存在爭議。其中，具有三倍調(diào)制周期的亞鐵電相是調(diào)制周期小于經(jīng)典四倍周期的反鐵電相。因此，實驗驗證這一新型亞鐵電相的客觀存在與調(diào)控，對于研究PbZrO₃基反鐵電材料具有重要意義。

該團隊通過構(gòu)建晶格失配誘導(dǎo)相分離的策略，在PbZrO₃薄膜中構(gòu)建出理論預(yù)測的三倍周期調(diào)制結(jié)構(gòu)，且其體積分數(shù)可以通過薄膜的厚度進行調(diào)控。實驗發(fā)現(xiàn)，這一特殊的三倍調(diào)制周期亞鐵電相與經(jīng)典的四倍調(diào)制周期反鐵電相形成交替共生的分相結(jié)構(gòu)且寬度約為3~20 nm，在[100]取向的薄膜中兩相的界面平行于（110）面且貫穿薄膜；研究發(fā)現(xiàn)三倍調(diào)制周期亞鐵電相隨薄膜厚度增大而逐漸增多的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象背后的物理機制與反相疇界有關(guān)。薄膜/襯底界面通過形成失配位錯釋放大部分襯底對薄膜的壓應(yīng)力，同時，失配位錯、薄膜厚度和熱膨脹系數(shù)等因素決定薄膜內(nèi)反相疇界的密度。由于反相疇界是三倍周期調(diào)制結(jié)構(gòu)的形核點和前驅(qū)體，因此通過控制反相疇界的形成便實現(xiàn)了利用膜厚來調(diào)控三倍周期亞鐵電相的體積分數(shù)。上述研究為剖析PbZrO₃基反鐵電材料的極化序構(gòu)以及利用新型三倍周期結(jié)構(gòu)開展性能研究奠定了基礎(chǔ)。

相關(guān)研究成果以Room-temperature Stabilizing Strongly Competing Ferrielectric and Antiferroelectric phases in PbZrO₃?by Strain Mediated Phase Separation為題，發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會和上海市科學(xué)技術(shù)委員會的支持。

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PbZrO₃基反鐵電材料中新型三倍周期極化序構(gòu)及形成機制