北京同步輻射裝置助力鐵電薄膜材料研究取得新進(jìn)展

近日，北京科技大學(xué)陳駿教授團(tuán)隊(duì)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(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，在新型鐵電薄膜材料制備及其關(guān)聯(lián)磁電性能調(diào)控的研究中獲得了系列進(jìn)展，相關(guān)成果相繼發(fā)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(xué)術(shù)期刊上。

北京科技大學(xué)博士后李天宇為上述論文的第一作者，北京科技大學(xué)陳駿教授作為主要通訊作者指導(dǎo)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(gòu)和面內(nèi)衍射等實(shí)驗(yàn)在1W1A-漫散射線站完成，為薄膜的面內(nèi)和面外晶格常數(shù)及對(duì)稱性等精細(xì)晶體結(jié)構(gòu)演變及測(cè)定提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；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(zhuǎn)變的微觀電子結(jié)構(gòu)起源及局域晶格應(yīng)變對(duì)3d軌道簡(jiǎn)并性和占據(jù)態(tài)的分析提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。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(gòu)表征提供了數(shù)據(jù)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(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。

鐵電薄膜材料憑借可隨外電場(chǎng)翻轉(zhuǎn)的自發(fā)極化，在下一代信息運(yùn)存算、高精度機(jī)電耦合轉(zhuǎn)換、超大功率能量存儲(chǔ)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。然而鐵電性的產(chǎn)生需要晶體結(jié)構(gòu)存在反演對(duì)稱中心破缺，使得天然存在或現(xiàn)已合成的晶態(tài)材料中絕大多數(shù)為不存在鐵電極化的順電體，本征鐵電體的數(shù)目極為稀少，這種現(xiàn)象嚴(yán)重限制了鐵電材料的研究和應(yīng)用進(jìn)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(duì)象，提出了通過在薄膜內(nèi)部構(gòu)建M/O空位（M為過渡金屬）施加局域晶格應(yīng)變的結(jié)構(gòu)調(diào)控新方法，利用Ti/O空位對(duì)周圍晶格所施加高達(dá)20%的拉伸應(yīng)變，誘導(dǎo)完成立方順電相到四方室溫強(qiáng)極性鐵電相轉(zhuǎn)變（Tianyu Li et al.,Adv. Mater.2021,33,2008316）。在此基礎(chǔ)上，研究人員薄膜中由晶格應(yīng)變改變局域晶格對(duì)稱性和軌道占據(jù)態(tài)而同時(shí)存在的磁電有序進(jìn)行了深入分析，發(fā)現(xiàn)了自旋和極化序參量由高溫到低溫經(jīng)歷了由無序態(tài)到部分有序態(tài)，再凍結(jié)為玻璃態(tài)的獨(dú)特高溫再入型玻璃玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變（Phys. Rev. Lett.2023,131,246801）。同時(shí)利用Fe和Mn過渡金屬元素在Ti位的化學(xué)替代俘獲隨Ti/O空位產(chǎn)生的自由電荷，進(jìn)一步優(yōu)化了薄膜的電學(xué)性能和介電品質(zhì)，O空位和自由電荷的遷移勢(shì)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(jìn)一步得到增強(qiáng)并可堪比BaTiO₃等經(jīng)典鐵電體，同時(shí)呈現(xiàn)出良好的介電儲(chǔ)能性能（J. Am. Chem. Soc.2024,146,1926;J. Am.Chem.Soc.2024,https://doi.org/10.1021/jacs.4c05281）。

相關(guān)研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家博士后創(chuàng)新人才計(jì)劃等項(xiàng)目資助。

圖1.?局域晶格應(yīng)變調(diào)控實(shí)現(xiàn)SrTiO₃薄膜鐵電性“由無到強(qiáng)”及高溫再入型鐵性玻璃態(tài)