2025年11月13日，煙臺(tái)大學(xué)環(huán)境與材料工程學(xué)院青年教師盧廣明聯(lián)合加泰羅尼亞納米科技研究所Gustau Catalan教授及劍橋大學(xué)地球科學(xué)系Ekhard K. H. Salje教授于國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Physical Review Letters》(PRL)發(fā)表重要研究成果—《Antiferroelectric-like Switching inside Ferroelastic Domain Walls》，該研究首次揭示極性鐵彈疇界反鐵電式翻轉(zhuǎn)行為，拓寬了傳統(tǒng)鐵彈材料的功能性應(yīng)用范圍，對(duì)新型納米疇界器件的開(kāi)發(fā)及研制有重要理論價(jià)值。
鐵性功能材料（Ferroic Materials）內(nèi)部，存在著一種稱(chēng)為“疇壁”的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，它們是不同局域序參量之間的過(guò)渡區(qū)域。這些疇壁并不是簡(jiǎn)單的二維平面，而是具有一定厚度的“薄層”，擁有與塊體內(nèi)部截然不同的物理特性，如增強(qiáng)的電導(dǎo)性、磁性甚至超導(dǎo)性。在鐵電及鐵磁性材料中，鐵彈性往往作為次級(jí)序參量，參與到電磁性能的調(diào)制之中。鐵彈性為主序參量的鐵彈材料作為地殼儲(chǔ)藏豐度最高的一類(lèi)材料，其疇界由于晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性的破缺會(huì)表現(xiàn)出“極性薄層”，具備類(lèi)似于鐵電材料的應(yīng)用潛質(zhì)。
傳統(tǒng)觀(guān)念認(rèn)為，這種極化主要來(lái)源于應(yīng)變梯度引起的撓曲電效應(yīng)，是一種固定的、不可翻轉(zhuǎn)的極性狀態(tài)。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，深入探究了CaTiO3晶體中鐵彈性疇壁的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，疇壁的極化不僅來(lái)源于撓曲電效應(yīng)，還來(lái)自于極性與非極性序參量之間的相斥雙平方耦合作用。在較低電場(chǎng)下，撓曲電效應(yīng)占主導(dǎo)地位，疇壁極化幾乎不可翻轉(zhuǎn)。然而，當(dāng)電場(chǎng)增強(qiáng)到一定程度時(shí)，情況發(fā)生了轉(zhuǎn)變。在約27 MV/cm的臨界電場(chǎng)下，疇壁的極化狀態(tài)會(huì)發(fā)生突變，轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N可翻轉(zhuǎn)的高極化狀態(tài)。更重要的是，這種切換表現(xiàn)出明顯的雙電滯回線(xiàn)特征，類(lèi)似于反鐵電體的行為，而非傳統(tǒng)鐵電體的單電滯回線(xiàn)。
這一發(fā)現(xiàn)的革命性在于，研究人員可以在不改變整體疇結(jié)構(gòu)的情況下，單獨(dú)翻轉(zhuǎn)疇壁的極化狀態(tài)。由于疇壁的矯頑場(chǎng)明顯低于塊體相變的臨界場(chǎng)，使得這種選擇性控制成為可能。當(dāng)施加低于塊體臨界場(chǎng)的電場(chǎng)時(shí)，只有疇壁的極化狀態(tài)發(fā)生變化，而周?chē)漠牻Y(jié)構(gòu)保持不變。一旦電場(chǎng)超過(guò)塊體臨界值，整個(gè)晶體才會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闃O性相。這種選擇性控制為設(shè)計(jì)新型電子器件提供了可能，其中疇壁可以作為獨(dú)立的功能單元被單獨(dú)尋址和操作。
這一發(fā)現(xiàn)的意義遠(yuǎn)不止于CaTiO3一種材料。Pnma結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦是自然界中最常見(jiàn)的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)之一。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，類(lèi)似的反鐵電式翻轉(zhuǎn)行為可能廣泛存在于其他鐵彈性鈣鈦礦中。這為在更多材料體系中探索和利用疇壁的可翻轉(zhuǎn)極化提供了理論基礎(chǔ)。
該文章第一兼通訊作者為環(huán)境與材料工程學(xué)院盧廣明博士，合作通訊作者為Gustau Catalan教授，煙臺(tái)大學(xué)為第一通訊及完成單位。相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金的資助。
全文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/2h19-7rp5
來(lái)稿時(shí)間：12月31日 審核：劉俞斌 責(zé)任編輯：劉運(yùn)正
