近日，北京科技大學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實驗技術，在新型鐵電薄膜材料制備及其關聯磁電性能調控的研究中獲得了系列進展，相關成果相繼發表在《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)學術期刊上。
 

　　北京科技大學博士后李天宇為上述論文的第一作者，中國科學院高能物理研究所陳駿教授作為主要通訊作者指導了研究課題。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和面內衍射等實驗在1W1A-漫散射線站完成，為薄膜的面內和面外晶格常數及對稱性等精細晶體結構演變及測定提供了關鍵實驗數據；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，為鐵電性轉變的微觀電子結構起源及局域晶格應變對3d軌道簡并性和占據態的分析提供了關鍵實驗數據。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表征提供了數據采集和解析支持，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。
 

　　鐵電薄膜材料憑借可隨外電場翻轉的自發極化，在下一代信息運存算、高精度機電耦合轉換、超大功率能量存儲等領域展現出廣闊應用前景。然而鐵電性的產生需要晶體結構存在反演對稱中心破缺，使得天然存在或現已合成的晶態材料中絕大多數為不存在鐵電極化的順電體，本征鐵電體的數目極為稀少，這種現象嚴重限制了鐵電材料的研究和應用進程。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部構建M/O空位(M為過渡金屬)施加局域晶格應變的結構調控新方法，利用Ti/O空位對周圍晶格所施加高達20%的拉伸應變，誘導完成立方順電相到四方室溫強極性鐵電相轉變(Tianyu Li et al., Adv. Mater.2021, 33, 2008316)。在此基礎上，研究人員薄膜中由晶格應變改變局域晶格對稱性和軌道占據態而同時存在的磁電有序進行了深入分析，發現了自旋和極化序參量由高溫到低溫經歷了由無序態到部分有序態，再凍結為玻璃態的獨特高溫再入型玻璃玻璃態轉變(Phys. Rev. Lett.2023, 131, 246801)。同時利用Fe和Mn過渡金屬元素在Ti位的化學替代俘獲隨Ti/O空位產生的自由電荷，進一步優化了薄膜的電學性能和介電品質，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等經典鐵電體，同時呈現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)。
 

　　相關研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和國家博士后創新人才計劃等項目資助。
 

　　圖1. 局域晶格應變調控實現SrTiO3薄膜鐵電性“由無到強”及高溫再入型鐵性玻璃態