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中國科學院金屬研究所
金屬所研究人員在鐵電材料中發(fā)現(xiàn)通量全閉合疇結(jié)構(gòu)
材料新視野
2015年04月17日
金屬所研究人員在鐵電材料中發(fā)現(xiàn)通量全閉合疇結(jié)構(gòu)以及由順時針和逆時針閉合結(jié)構(gòu)交替排列所構(gòu)成的大尺度周期性陣列。4月16日，美國《科學》(Science)周刊率先通過“Science Express”在線發(fā)表了該項研究成果，并將在幾周后以“Report”形式正式發(fā)表。這項工作由沈陽材料科學國家（聯(lián)合）實驗室固體原子像研究部馬秀良研究員、朱銀蓮研究員和唐云龍博士等人組成的材料界面電子顯微學研究團隊與磁學及磁性材料研究部張志東研究員以及烏克蘭和美國的科學家合作完成。
鐵電材料與鐵磁材料具有極強的類比性，如類似的電（磁）滯回線、極化序參量以及疇結(jié)構(gòu)組態(tài)等等。相比于鐵磁領(lǐng)域的研究和應用比較成熟的發(fā)展，鐵電材料的基礎(chǔ)和應用研究明顯滯后，反映出兩者物理本質(zhì)上的不同。自1986年起，物理學家相繼預測在一定的條件下鐵電材料中可能出現(xiàn)通量全閉合結(jié)構(gòu)，且理論上該結(jié)構(gòu)可帶來超高密度的信息存儲功能。盡管通量全閉合結(jié)構(gòu)在鐵磁材料中已獲普遍認識，但經(jīng)過近三十年的探索，在鐵電材料中卻一直沒有得到實驗證實。其主要困難在于鐵電材料中通量全閉合結(jié)構(gòu)必然導致巨大的晶格應變。如何突破鐵電極化與晶格應變的相互制約，實現(xiàn)極化反轉(zhuǎn)與晶格應變的有效調(diào)控，獲得有望用于超高密度信息存儲的結(jié)構(gòu)單元，是當今鐵電材料領(lǐng)域面臨的一個重大基礎(chǔ)性科學難題。
金屬所沈陽材料科學國家（聯(lián)合）實驗室的固體原子像界面結(jié)構(gòu)研究團隊長期致力于材料基礎(chǔ)科學問題的電子顯微學研究，經(jīng)過多年的學術(shù)積累并與國內(nèi)外相關(guān)科學家合作，在解決上述重大科學難題方面取得突破。他們通過逆向思維設(shè)計，實施應變調(diào)控在鈧酸鹽襯底上制備出一系列超薄的PbTiO3鐵電薄膜；利用具有原子尺度分辨能力的像差校正電子顯微術(shù)，不僅發(fā)現(xiàn)通量全閉合疇結(jié)構(gòu)及其新奇的原子構(gòu)型圖譜，而且觀察到由順時針和逆時針閉合結(jié)構(gòu)交替排列所構(gòu)成的大尺度周期性陣列。在此基礎(chǔ)上，他們揭示了周期性閉合結(jié)構(gòu)的形成規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在一定的薄膜厚度范圍內(nèi)由通量閉合結(jié)構(gòu)構(gòu)成的周期性陣列的周期大小與薄膜厚度之間成比值約為
的線性關(guān)系；推導出閉合結(jié)構(gòu)核心處超大的應變梯度(109/m)以及整個閉合結(jié)構(gòu)中巨大的長程彈性應變梯度(106/m)；在Landau-Ginsburg-Devonshire理論框架下計算出閉合結(jié)構(gòu)核心處目前最高量級彎電常數(shù)(10-10C-1m3)。
該項工作改變了之前探求通量閉合鐵電疇結(jié)構(gòu)的研究思路，進一步完善了通過失配應變調(diào)制鐵電材料疇結(jié)構(gòu)和物理特性的重要性和有效性，解決了鐵電領(lǐng)域疇壁組態(tài)方面數(shù)十年來懸而未決的重大基礎(chǔ)科學問題，為與鐵磁材料類比的結(jié)構(gòu)特性增添了新的實質(zhì)性內(nèi)容。鐵電材料中通量全閉合結(jié)構(gòu)以及核心處巨大彎電效應的發(fā)現(xiàn)將把鐵電薄膜器件的設(shè)計和研發(fā)推向一個新的高度，為探索基于鐵電材料的高密度信息存儲器提供了新途徑。同時，該項工作證實了巨大的彈性應變梯度可以通過多層膜的形式保存下來，實現(xiàn)相關(guān)物理性能的連續(xù)調(diào)控，為新型梯度功能材料的設(shè)計提供了新思路。
固體原子像研究部的王宇佳博士以及博士研究生王文淵、許耀斌等人也參與了這項工作。
美國《科學》周刊每周從近期被錄用的稿件中遴選出少量幾篇文章并將作者的最終修改稿通過“Science Express”平臺提前發(fā)布，以此在第一時間向讀者提供重大科技進展或政策觀點等最新資訊。這些工作將在4～6周后以在線和紙本形式同時正式發(fā)表在《科學》周刊上，通常是編輯推薦的最重要的文章。
該項研究得到國家自然科學基金以及科技部973計劃的資助。
鐵電材料與鐵磁材料具有極強的類比性，如類似的電（磁）滯回線、極化序參量以及疇結(jié)構(gòu)組態(tài)等等。相比于鐵磁領(lǐng)域的研究和應用比較成熟的發(fā)展，鐵電材料的基礎(chǔ)和應用研究明顯滯后，反映出兩者物理本質(zhì)上的不同。自1986年起，物理學家相繼預測在一定的條件下鐵電材料中可能出現(xiàn)通量全閉合結(jié)構(gòu)，且理論上該結(jié)構(gòu)可帶來超高密度的信息存儲功能。盡管通量全閉合結(jié)構(gòu)在鐵磁材料中已獲普遍認識，但經(jīng)過近三十年的探索，在鐵電材料中卻一直沒有得到實驗證實。其主要困難在于鐵電材料中通量全閉合結(jié)構(gòu)必然導致巨大的晶格應變。如何突破鐵電極化與晶格應變的相互制約，實現(xiàn)極化反轉(zhuǎn)與晶格應變的有效調(diào)控，獲得有望用于超高密度信息存儲的結(jié)構(gòu)單元，是當今鐵電材料領(lǐng)域面臨的一個重大基礎(chǔ)性科學難題。
金屬所沈陽材料科學國家（聯(lián)合）實驗室的固體原子像界面結(jié)構(gòu)研究團隊長期致力于材料基礎(chǔ)科學問題的電子顯微學研究，經(jīng)過多年的學術(shù)積累并與國內(nèi)外相關(guān)科學家合作，在解決上述重大科學難題方面取得突破。他們通過逆向思維設(shè)計，實施應變調(diào)控在鈧酸鹽襯底上制備出一系列超薄的PbTiO3鐵電薄膜；利用具有原子尺度分辨能力的像差校正電子顯微術(shù)，不僅發(fā)現(xiàn)通量全閉合疇結(jié)構(gòu)及其新奇的原子構(gòu)型圖譜，而且觀察到由順時針和逆時針閉合結(jié)構(gòu)交替排列所構(gòu)成的大尺度周期性陣列。在此基礎(chǔ)上，他們揭示了周期性閉合結(jié)構(gòu)的形成規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在一定的薄膜厚度范圍內(nèi)由通量閉合結(jié)構(gòu)構(gòu)成的周期性陣列的周期大小與薄膜厚度之間成比值約為
的線性關(guān)系；推導出閉合結(jié)構(gòu)核心處超大的應變梯度(109/m)以及整個閉合結(jié)構(gòu)中巨大的長程彈性應變梯度(106/m)；在Landau-Ginsburg-Devonshire理論框架下計算出閉合結(jié)構(gòu)核心處目前最高量級彎電常數(shù)(10-10C-1m3)。
該項工作改變了之前探求通量閉合鐵電疇結(jié)構(gòu)的研究思路，進一步完善了通過失配應變調(diào)制鐵電材料疇結(jié)構(gòu)和物理特性的重要性和有效性，解決了鐵電領(lǐng)域疇壁組態(tài)方面數(shù)十年來懸而未決的重大基礎(chǔ)科學問題，為與鐵磁材料類比的結(jié)構(gòu)特性增添了新的實質(zhì)性內(nèi)容。鐵電材料中通量全閉合結(jié)構(gòu)以及核心處巨大彎電效應的發(fā)現(xiàn)將把鐵電薄膜器件的設(shè)計和研發(fā)推向一個新的高度，為探索基于鐵電材料的高密度信息存儲器提供了新途徑。同時，該項工作證實了巨大的彈性應變梯度可以通過多層膜的形式保存下來，實現(xiàn)相關(guān)物理性能的連續(xù)調(diào)控，為新型梯度功能材料的設(shè)計提供了新思路。
固體原子像研究部的王宇佳博士以及博士研究生王文淵、許耀斌等人也參與了這項工作。
美國《科學》周刊每周從近期被錄用的稿件中遴選出少量幾篇文章并將作者的最終修改稿通過“Science Express”平臺提前發(fā)布，以此在第一時間向讀者提供重大科技進展或政策觀點等最新資訊。這些工作將在4～6周后以在線和紙本形式同時正式發(fā)表在《科學》周刊上，通常是編輯推薦的最重要的文章。
該項研究得到國家自然科學基金以及科技部973計劃的資助。