近日，北京科技大學(xué)陳駿教授團隊依托北京同步輻射裝置1W1A-漫散射線站和4B9B-光電子能譜線站的衍射和譜學(xué)實驗技術(shù)，在新型鐵電薄膜材料制備及其關(guān)聯(lián)磁電性能調(diào)控的研究中獲得了系列進展，相關(guān)成果相繼發(fā)表在《Physical Review Letters》(Tianyu Li et al., Phys. Rev. Lett.2023, 131, 246801, Editors’ Suggestion編輯推薦論文)和《Journal of American Chemical Society》(Tianyu Li et al., J. Am. Chem. Soc.2024, 146, 1926; Tianyu Li et al., J. Am. Chem. Soc.2024, https://doi.org/10.1021/jacs.4c05281)學(xué)術(shù)期刊上。
 

　　北京科技大學(xué)博士后李天宇為上述論文的第一作者，中國科學(xué)院高能物理研究所陳駿教授作為主要通訊作者指導(dǎo)了研究課題。薄膜面外同步輻射高分辨X射線衍射、二維和三維倒易空間繪制再構(gòu)和面內(nèi)衍射等實驗在1W1A-漫散射線站完成，為薄膜的面內(nèi)和面外晶格常數(shù)及對稱性等精細晶體結(jié)構(gòu)演變及測定提供了關(guān)鍵實驗數(shù)據(jù)；薄膜Ti和O元素軟X射線吸收譜和線二色譜采集自4B9B-光電子能譜線站，為鐵電性轉(zhuǎn)變的微觀電子結(jié)構(gòu)起源及局域晶格應(yīng)變對3d軌道簡并性和占據(jù)態(tài)的分析提供了關(guān)鍵實驗數(shù)據(jù)。作為上述論文的共同作者，1W1A-漫散射線站王煥華研究員、陳雨副研究員、王震博士生在同步輻射倒空間繪制與三維再構(gòu)表征提供了數(shù)據(jù)采集和解析支持，4B9B-光電子能譜線站王嘉鷗研究員在軟X射線吸收譜和線二色譜分析中給予了實驗指導(dǎo)。
 

　　鐵電薄膜材料憑借可隨外電場翻轉(zhuǎn)的自發(fā)極化，在下一代信息運存算、高精度機電耦合轉(zhuǎn)換、超大功率能量存儲等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。然而鐵電性的產(chǎn)生需要晶體結(jié)構(gòu)存在反演對稱中心破缺，使得天然存在或現(xiàn)已合成的晶態(tài)材料中絕大多數(shù)為不存在鐵電極化的順電體，本征鐵電體的數(shù)目極為稀少，這種現(xiàn)象嚴重限制了鐵電材料的研究和應(yīng)用進程。在前期與北京同步輻射裝置1W1A和4B9B線站開展合作研究的過程中，陳駿教授課題組以鈣鈦礦范式順電材料SrTiO3為研究對象，提出了通過在薄膜內(nèi)部構(gòu)建M/O空位(M為過渡金屬)施加局域晶格應(yīng)變的結(jié)構(gòu)調(diào)控新方法，利用Ti/O空位對周圍晶格所施加高達20%的拉伸應(yīng)變，誘導(dǎo)完成立方順電相到四方室溫強極性鐵電相轉(zhuǎn)變(Tianyu Li et al., Adv. Mater.2021, 33, 2008316)。在此基礎(chǔ)上，研究人員薄膜中由晶格應(yīng)變改變局域晶格對稱性和軌道占據(jù)態(tài)而同時存在的磁電有序進行了深入分析，發(fā)現(xiàn)了自旋和極化序參量由高溫到低溫經(jīng)歷了由無序態(tài)到部分有序態(tài)，再凍結(jié)為玻璃態(tài)的獨特高溫再入型玻璃玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變(Phys. Rev. Lett.2023, 131, 246801)。同時利用Fe和Mn過渡金屬元素在Ti位的化學(xué)替代俘獲隨Ti/O空位產(chǎn)生的自由電荷，進一步優(yōu)化了薄膜的電學(xué)性能和介電品質(zhì)，O空位和自由電荷的遷移勢壘顯著增加，薄膜漏電流密度和介電損耗大幅降低，薄膜的鐵電性進一步得到增強并可堪比BaTiO3等經(jīng)典鐵電體，同時呈現(xiàn)出良好的介電儲能性能(J. Am. Chem. Soc.2024, 146, 1926; J. Am. Chem. Soc.2024, https://doi.org/10.1021/jacs.4c05281)。
 

　　相關(guān)研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和國家博士后創(chuàng)新人才計劃等項目資助。
 

　　圖1. 局域晶格應(yīng)變調(diào)控實現(xiàn)SrTiO3薄膜鐵電性“由無到強”及高溫再入型鐵性玻璃態(tài)