雜化非本征鐵電性（Hybrid Improper Ferroelectricity）起源于兩種非極性八面體傾斜/旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的幾何效應(yīng)，可以有效避免多鐵材料設(shè)計(jì)中由電子機(jī)制引起的固有的化學(xué)不相容性（即d0準(zhǔn)則）。通過結(jié)合點(diǎn)群理論的對(duì)稱性分析和鐵電相變相關(guān)的第一性原理計(jì)算，目前已經(jīng)明確在層狀鈣鈦礦氧化物和原子位點(diǎn)有序的鈣鈦礦超晶格體系中可以誘發(fā)雜化非本征鐵電性。自Bousquet、Benedek和Fennie等人分別于2008年和2011年開展相關(guān)開創(chuàng)性工作以來，Oh等人于2015年首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了(Ca,Sr)3Ti2O7層狀鈣鈦礦材料中存在雜化非本征鐵電性。然而，層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的外延生長(zhǎng)，且鐵電性的集體行為受限于非鈣鈦礦層的阻隔，不利于器件功能設(shè)計(jì)、集成和微型化。
值得注意的是，鈣鈦礦超晶格作為另一種理論預(yù)測(cè)的材料，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于外延制備，且具有連續(xù)的氧八面體架構(gòu)，有望克服當(dāng)前層狀雜化非本征鐵電體難以開展基礎(chǔ)應(yīng)用研究的技術(shù)困難。然而，如何實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦超晶格體系中氧八面體靶向畸變模式的長(zhǎng)程調(diào)控以及確認(rèn)雜化非本征鐵電性的實(shí)驗(yàn)判據(jù)成為了鮮有相關(guān)實(shí)驗(yàn)案例報(bào)道的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)和確認(rèn)鈣鈦礦超晶格體系中雜化非本征鐵電性是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域多鐵性研究的重要科學(xué)難題。
近日，我校物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、自治區(qū)納米科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室趙世峰教授課題組在《Nature Communications》（《自然?通訊》）上發(fā)表題為“Experimental demonstration of tunable hybrid improper ferroelectricity in double-perovskite superlattice films”的研究論文。該工作提出了一種氧八面體傾斜/旋轉(zhuǎn)與Jahn-Teller畸變協(xié)同的雜化非本征鐵電機(jī)制，并在B位原子有序的La2NiMnO6/La2CoMnO6雙鈣鈦礦超晶格氧化物薄膜中實(shí)現(xiàn)了室溫雜化非本征鐵電性的誘導(dǎo)和調(diào)控，并指出應(yīng)變調(diào)控八面體傾斜與旋轉(zhuǎn)的耦合對(duì)鐵電性的非單調(diào)激發(fā)特性是實(shí)驗(yàn)上判斷非本征雜化鐵電性的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。
課題組通過臭氧輔助的材料生長(zhǎng)工藝，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量B位原子有序的雙鈣鈦礦超晶格薄膜的生長(zhǎng)。由于特殊的多晶軸取向契合的外延生長(zhǎng)模式，超晶格薄膜在較小的晶格失配下實(shí)現(xiàn)了較大的應(yīng)變傳輸厚度。通過精確控制厚度依賴的外延應(yīng)變，在同一靶向氧八面體畸變模式（a-a-c+）下實(shí)現(xiàn)了八面體旋轉(zhuǎn)和傾斜的長(zhǎng)程調(diào)制，進(jìn)而成功誘導(dǎo)并調(diào)控了La2NiMnO6/La2CoMnO6超晶格薄膜的雜化不當(dāng)鐵電性。這一策略摒棄了通過改變晶格失配來調(diào)節(jié)外延應(yīng)變的常規(guī)方法，保證了氧八面體長(zhǎng)程調(diào)制過程中靶向畸變模式的單一性和穩(wěn)定性，有利于體系中雜化非本征鐵電性的確認(rèn)。并且，通過DFT計(jì)算和Landau-Ginsburg-Devonshire理論的鐵電相變模型揭示了應(yīng)變和八面體畸變對(duì)外延超晶格薄膜中鐵電性的調(diào)節(jié)機(jī)制。
這項(xiàng)研究填補(bǔ)了雜化非本征鐵電性研究中關(guān)于鈣鈦礦超晶格體系的實(shí)驗(yàn)案例的空缺，為揭示八面體畸變誘導(dǎo)雜化非本征鐵電性提供了有力的實(shí)驗(yàn)支撐，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)可操控鐵電和鐵磁序共存的單相多鐵材料提供了新的設(shè)計(jì)思路。
應(yīng)變驅(qū)動(dòng)的八面體結(jié)構(gòu)畸變對(duì)非本征雜化鐵電性的誘導(dǎo)機(jī)制及相變理論模型
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-49707-x
我校物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院趙世峰教授為該論文的通訊作者，新加坡南洋理工大學(xué)高煒博教授和北京化工大學(xué)王聰副教授為共同通訊作者，我校物理學(xué)博士生蔣垚祥、牛建國(guó)分別為該論文的第一作者和共同第一作者，物理學(xué)博士生薛冬來、碩士生石曉輝為重要的參與作者。論文以內(nèi)蒙古大學(xué)為第一通訊單位。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和內(nèi)蒙古自治區(qū)高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的資助。
主要作者簡(jiǎn)介：
蔣垚祥，2020級(jí)物理學(xué)在讀博士，主要從事鈣鈦礦超晶格薄膜的多鐵性調(diào)控研究。目前已完成脈沖激光沉積（PLD）設(shè)備“樣品取放-傳送”真空系統(tǒng)（Loadlock）的設(shè)計(jì)與改裝；實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦超晶格薄膜的單晶外延制備及其原子級(jí)尺度的生長(zhǎng)控制；在鐵磁性雙鈣鈦礦超晶格材料中設(shè)計(jì)并證實(shí)了室溫雜化非本征鐵電性的理論預(yù)言。以第一作者及共同第一作者發(fā)表SCI論文3篇（Nat. Commun., Small Methods, Appl. Phys. Lett.）。
牛建國(guó)，2022級(jí)物理學(xué)在讀博士，主要從事氧化物超晶格薄膜的多鐵性調(diào)控及鐵電電阻開關(guān)效應(yīng)研究。在讀期間參與真空設(shè)備設(shè)計(jì)與改裝；實(shí)現(xiàn)了超晶格薄膜特定外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)控制與非本征鐵電疇的構(gòu)建；提出弛豫鐵電單元修飾的鐵電疇工程顯著降低了傳統(tǒng)鈦酸鋇基鐵電二極管的運(yùn)行功耗。以第一作者及共同第一作者發(fā)表SCI論文2篇（Appl. Phys. Lett., Nat. Commun.）。
趙世峰，我校物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師、自治區(qū)納米科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。內(nèi)蒙古自治區(qū)草原英才、內(nèi)蒙古新世紀(jì)321人才工程第一層次人選、內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)二等獎(jiǎng)完成人（1/3）、內(nèi)蒙古高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人、內(nèi)蒙古草原英才創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人。主持973課題、國(guó)家基金面上項(xiàng)目等國(guó)家級(jí)項(xiàng)目7項(xiàng)，主持內(nèi)蒙古自然基金重點(diǎn)、杰青項(xiàng)目等省部級(jí)項(xiàng)目6項(xiàng)，至今已在Nat. Commun.; Acta Mater.; Appl. Phys. Lett.; Opt. Lett.等物理權(quán)威期刊上發(fā)表論文130余篇。出版學(xué)術(shù)專著2部，共計(jì)620千字；授權(quán)發(fā)明專利及軟件著作權(quán)共16項(xiàng)。目前主要研究方向?yàn)閳F(tuán)簇物理與原子制造、多鐵納米材料與物理、稀土功能氧化物材料與物理和新型微納米光電能源材料。
（素材來源：科學(xué)技術(shù)處 編輯：李文娟 審核：劉雪峰）
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