新研究为数字电致应变器件的开发提供了新思路

近日，哈尔滨工业大学深圳校区前沿材料科学与工程学院教授陈祖煌团队与苏州大学、新加坡科技研究局等单位合作，通过取向调控，在[111]取向锆酸铅外延膜中获得了优异的反铁电性能和数字电致应变响应，相关研究成果发表在《自然-通信》上。

研究小组揭示了各种反铁电-铁电变换机制，克服了其余极化高、变换路径复杂等问题。该工作为反铁电膜设备的设计和高性能数字电致应变器件的开发提供了一个新的理论框架和技术路径。

反铁电材料在薄膜形式下往往受到铁序列竞争的束缚。铁电、亚铁电、反铁电相并存，导致电滞回线扭曲，剩余极化较大，严重阻碍了反铁电膜在现代纳米电子系统中的应用。在过去的研究中，我们普遍认为反铁电膜中的亚铁电相是不可避免的，甚至有人认为亚铁电结构是锆酸铅的特征结构，这给反铁电锆酸铅材料的认知和应用探索带来了巨大的挑战。

到目前为止，对反铁电原材料锆酸铅从基本结构到相应的电学性能，以及电场诱导结构变化的行为机制仍缺乏统一的认识，限制了其在基础科学和应用中的探索。

针对上述问题，研究小组通过第一原理计算揭示了反铁锆酸铅的各种机制。研究表明，当外加电场方向与极化矢量平行时，改变路径最简单，能量堡垒最低。基于反铁电膜的原子级设计，沿[111]方向施加电场时，材料通过“一步”直接切换反铁电-铁电变化，避免了中间态的影响。

通过方向调节优质薄膜的延伸生长，研究完成了电场推动下一步反铁电-铁电变化的完成，显著提高了响应速度和稳定性，获得了反铁电膜标准的方形双电滞回线，饱和极化达到60微库仑每平方厘米，其余极化接近零。经过1000亿次循环，性能无衰减，颠覆性提高了材料的疲劳极限。

研究小组制备的优质反铁电膜首次实现了0.83%的双极数字电致应变，响应时间仅为75纳秒，具有频率不敏感的特点，为高精度微机电系统提供了核心材料支持。研究还结合原点同步辐射X射线衍射，分析了电场诱导下铁电相的晶体结构，揭示了数字应变的结构来源。通过理论与实验的相互验证，团队加深了对反铁电材料本征行为的理解，为高性能数字机电系统的设计提供了理论依据和新的研发思路。