“相界面应变”制备出超强铁电薄膜

　　功能材料是通过光、电、磁、热等作用后具有特定功能的新型材料,在国家的重大建设工程、国民经济发展以及各个领域中具有重要应用。铁电智能材料作为一种特殊的功能材料，广泛应用在军工和通信中的铁电存储器、可调谐微波器件、大容量电容、压电传感器件等领域。如何精确调控和优化功能材料以及铁电智能材料的结构与性能是世界性难题, 目前也是国内材料领域的薄弱环节。 

　　功能材料物理化学性质依赖于晶格的变化，调控材料的晶格应变可促使材料物理化学性质发生显著的变化，晶格应变调控也因此广泛地应用在超导、巨磁阻、多铁、催化等领域。研究者们通常采用应力应变工程法，即通过薄膜与基体的晶格失配引入一定的应变，达到调控材料性质的目的。然而，薄膜与基体的晶格失配程度不能无限制地增加，晶格应变调控的范围也有限。在北京同步辐射装置的大力支持下，北京科技大学邢献然教授团队提出一种可简单实现应变工程的新方法——“相界面应变”（Interphase Strain），并成功制备出“超强”铁电体薄膜。研究成果以“Giant polarization in super-tetragonal thin films through interphase strain”（通过相界面应变制备巨大极化的超四方薄膜）为题，于2018年8月3日发表在美国《Science》 [Science 361, 494 (2018)]杂志上，受到国内外研究者的高度关注和报道。 

　　铁电材料是一种重要的功能材料，铁电材料的丰富性质都利用了铁电极化这一基本的功能基元。该工作的主要创新——“相界面应变”具体的设想如下：将两种晶格常数不同的物质形成晶格匹配的外延薄膜，小晶格的物质必然受到大晶格物质的拉应力，进而引入巨大应变，如图1所示。该想法首先在SrTiO₃基底上将不同晶格参数的PbTiO₃铁电体和PbO非铁电体形成晶格完全匹配的外延薄膜。由此将PbTiO₃的晶格畸变提升到c/a = 1.238，而体相仅为1.065，薄膜剩余极化值高达236.3 μC/cm²，是目前已知铁电体最高值的近2倍。这种铁电薄膜非常稳定，铁电相稳定温度从体相的490 ℃提高到了725 ℃。这种“相界面应变”方法为设计新颖铁电体提供了新思路，有望应用在其他多功能材料的设计当中。 

　　图1 PbTiO₃/PbO外延薄膜的微观结构 

　　北京同步辐射装置4B9B-光电子能谱实验站的电子结构轨道杂化的表征解析和1W1A-漫散射实验站的外延膜微观结构表征对该工作的研究起到了重要的作用。该研究工作提升了国内在铁电、薄膜等相关领域的学术影响力。 

　　发表文章： 

　　Linxing Zhang, Jun Chen*, Longlong Fan, Oswaldo Diéguez, Jiangli Cao, Zhao Pan, Yilin Wang, Jinguo Wang, Moon Kim, Shiqing Deng, Jiaou Wang, Huanhua Wang, Jinxia Deng, Ranbo Yu, James F. Scott, Xianran Xing*, Giant polarization in super-tetragonal thin films through interphase strain. Science, 2018, 361, 494-497.