——“相界面应变”制备出超强铁电薄膜 

    近日，北京科技大学邢献然、陈骏教授团队提出一种简便的可实现应变工程的新方法——“相界面应变”（Interphase Strain），在超四方薄膜中实现了巨大铁电性。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日在《科学》上发表（Science, 2018, DOI: 10.1126/science.aan2433）。 

　　图1. PbTiO₃/PbO外延薄膜的微观结构，图来源：Science 

　　一般而言，功能材料物理、化学性质依赖于晶格的变化，调控晶格应变可促使材料的物理、化学性质发生显著变化，围绕晶格研究与电荷、自旋及轨道之间的关联作用是固体化学的核心问题，调控晶格应变也因此广泛地应用于超导、巨磁阻、多铁、催化等领域。研究者们通常采用应变工程法，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。铁电材料是一种重要的功能材料，广泛应用在铁电存储器、可调谐微波器件、大容量电容、压电传感器件等领域，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。其实，铁电体中还隐藏着一种新颖的性质——负热膨胀，即温度上升材料体积产生反常收缩，负热膨胀为调控材料热膨胀性质提供了契机。近年来，该研究团队在负热膨胀领域开展了深入的研究，报道了一类铁电体负热膨胀体系，并揭示了铁电极化对负热膨胀的作用机制。基于负热膨胀铁电体的研究结果，该团队最近提出“相界面应变”调控铁电体晶格应变方法，进而成功制备出“超强”铁电体薄膜。“相界面应变”的设想如下：如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。该团队在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，研究表明，该方法将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。另外，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 ℃。总之，这种“相界面应变”方法为设计新颖铁电体提供了新思路，也可以应用在其他多功能材料的设计当中。 

　　图2. 巨大铁电极化及温度稳定性，图来源：Science