反鐵電鈣鈦礦氧化物中自發極化具有豐富的調制序構，在電場激勵下可以實現反鐵電態和鐵電態之間的可逆或不可逆轉變，并伴隨強烈的電荷、體積或熱量變化，成為儲能、換能和驅動等應用的關鍵物理基礎。近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員許鈁鈁帶領的材料透射電鏡顯微結構表征團隊聯合研究員王根水率領的鐵電陶瓷材料與器件研究團隊，在鋯酸鉛(PbZrO3)基反鐵電材料的極化序構研究方面取得進展。
 

　　目前，理論提出了多種能量相近并相互競爭的極化序構，但關于PbZrO3基反鐵電材料的基態結構存在爭議。其中，具有三倍調制周期的亞鐵電相是調制周期小于經典四倍周期的反鐵電相。因此，實驗驗證這一新型亞鐵電相的客觀存在與調控，對于研究PbZrO3基反鐵電材料具有重要意義。
 

　　該團隊通過構建晶格失配誘導相分離的策略，在PbZrO3薄膜中構建出理論預測的三倍周期調制結構，且其體積分數可以通過薄膜的厚度進行調控。實驗發現，這一特殊的三倍調制周期亞鐵電相與經典的四倍調制周期反鐵電相形成交替共生的分相結構且寬度約為3~20 nm，在[100]取向的薄膜中兩相的界面平行于(110)面且貫穿薄膜；研究發現三倍調制周期亞鐵電相隨薄膜厚度增大而逐漸增多的現象，這一現象背后的物理機制與反相疇界有關。薄膜/襯底界面通過形成失配位錯釋放大部分襯底對薄膜的壓應力，同時，失配位錯、薄膜厚度和熱膨脹系數等因素決定薄膜內反相疇界的密度。由于反相疇界是三倍周期調制結構的形核點和前驅體，因此通過控制反相疇界的形成便實現了利用膜厚來調控三倍周期亞鐵電相的體積分數。上述研究為剖析PbZrO3基反鐵電材料的極化序構以及利用新型三倍周期結構開展性能研究奠定了基礎。
 

　　相關研究成果以Room-temperature Stabilizing Strongly Competing Ferrielectric and Antiferroelectric phases in PbZrO3?by Strain Mediated Phase Separation為題，發表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。研究工作得到國家自然科學基金委員會和上海市科學技術委員會的支持。
 

PbZrO3基反鐵電材料中新型三倍周期極化序構及形成機制