北京同步辐射装置助力铁电薄膜材料研究取得新进展

近日，北京科技大学陈骏教授团队依托北京同步辐射装置1W1A-漫散射线站和4B9B-光电子能谱线站的衍射和谱学实验技术，在新型铁电薄膜材料制备及其关联磁电性能调控的研究中获得了系列进展，相关成果相继发表在《Physical Review Letters》（Tianyu Li et al.,Phys. Rev. Lett.2023,131,246801,Editors’Suggestion编辑推荐论文）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）学术期刊上。

北京科技大学博士后李天宇为上述论文的第一作者，北京科技大学陈骏教授作为主要通讯作者指导了研究课题。薄膜面外同步辐射高分辨X射线衍射、二维和三维倒易空间绘制再构和面内衍射等实验在1W1A-漫散射线站完成，为薄膜的面内和面外晶格常数及对称性等精细晶体结构演变及测定提供了关键实验数据；薄膜Ti和O元素软X射线吸收谱和线二色谱采集自4B9B-光电子能谱线站，为铁电性转变的微观电子结构起源及局域晶格应变对3d轨道简并性和占据态的分析提供了关键实验数据。作为上述论文的共同作者，1W1A-漫散射线站王焕华研究员、陈雨副研究员、王震博士生在同步辐射倒空间绘制与三维再构表征提供了数据采集和解析支持，4B9B-光电子能谱线站王嘉鸥研究员在软X射线吸收谱和线二色谱分析中给予了实验指导。

铁电薄膜材料凭借可随外电场翻转的自发极化，在下一代信息运存算、高精度机电耦合转换、超大功率能量存储等领域展现出广阔应用前景。然而铁电性的产生需要晶体结构存在反演对称中心破缺，使得天然存在或现已合成的晶态材料中绝大多数为不存在铁电极化的顺电体，本征铁电体的数目极为稀少，这种现象严重限制了铁电材料的研究和应用进程。在前期与北京同步辐射装置1W1A和4B9B线站开展合作研究的过程中，陈骏教授课题组以钙钛矿范式顺电材料SrTiO₃为研究对象，提出了通过在薄膜内部构建M/O空位（M为过渡金属）施加局域晶格应变的结构调控新方法，利用Ti/O空位对周围晶格所施加高达20%的拉伸应变，诱导完成立方顺电相到四方室温强极性铁电相转变（Tianyu Li et al.,Adv. Mater.2021,33,2008316）。在此基础上，研究人员薄膜中由晶格应变改变局域晶格对称性和轨道占据态而同时存在的磁电有序进行了深入分析，发现了自旋和极化序参量由高温到低温经历了由无序态到部分有序态，再冻结为玻璃态的独特高温再入型玻璃玻璃态转变（Phys. Rev. Lett.2023,131,246801）。同时利用Fe和Mn过渡金属元素在Ti位的化学替代俘获随Ti/O空位产生的自由电荷，进一步优化了薄膜的电学性能和介电品质，O空位和自由电荷的迁移势垒显著增加，薄膜漏电流密度和介电损耗大幅降低，薄膜的铁电性进一步得到增强并可堪比BaTiO₃等经典铁电体，同时呈现出良好的介电储能性能（J. Am. Chem. Soc.2024,146,1926;J. Am.Chem.Soc.2024,https://doi.org/10.1021/jacs.4c05281）。

相关研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和国家博士后创新人才计划等项目资助。

图1. 局域晶格应变调控实现SrTiO₃薄膜铁电性“由无到强”及高温再入型铁性玻璃态