涉及雜化非本征鐵電！一項理論預言被證實

“鈣鈦礦超晶格”是一種理論預測的鐵電材料，相較于層狀鈣鈦礦氧化物薄膜，其結構簡單且易于外延制備，同時具有連續的氧八面體架構，有望克服當前雜化非本征鐵電體難以開展應用基礎研究的技術壁壘，如器件的功能設計、微型化與集成化等。然而，如何實現鈣鈦礦超晶格體系中氧八面體靶向畸變模式的長程調控以及確認雜化非本征鐵電性的實驗判據，是當前實驗上未有突破性進展的關鍵技術難點。因此，設計和確認鈣鈦礦超晶格體系中“雜化非本征鐵電性”已成為當前凝聚態物理領域多鐵性研究的重要科學難題。

近日，內蒙古自治區納米科學與技術重點實驗室教授趙世峰、北京化工大學數理學院副教授王聰、新加坡南洋理工大學教授高煒博帶領的科研團隊提出了一種氧八面體傾斜/旋轉與Jahn-Teller畸變效應協同誘導的雜化非本征鐵電機制，在B位原子有序的La₂NiMnO₆/La₂CoMnO₆（LNMO/LCMO）雙鈣鈦礦超晶格氧化物薄膜中實現了室溫雜化非本征鐵電性的誘導和調控，指出了應變調控八面體傾斜與旋轉的耦合對鐵電性的非單調激發特性是實驗上確認非本征雜化鐵電性的重要判據之一。相關成果于7月2日在《自然-通訊》（Nature Communications）上刊發。

LNMO/LCMO鈣鈦礦超晶格薄膜中非本征雜化鐵電性的誘導機制及其測試表征。研究團隊供圖

在最新發表的論文中，科研人員通過臭氧輔助的材料生長工藝，實現了高質量B位原子有序的LNMO/LCMO雙鈣鈦礦超晶格薄膜的生長。研究發現，由于特殊的多晶軸取向契合的外延生長模式，超晶格薄膜在較小的晶格失配下實現了較大的應變傳輸厚度。通過進一步精確控制厚度依賴的外延應變，在同一靶向氧八面體畸變模式（a^-a^-c⁺）下可以實現八面體傾斜和旋轉的長程調制，并成功誘導和調控了超晶格薄膜的雜化不當鐵電性。這一策略摒棄了通過改變晶格失配來調節外延應變的常規方法，確保了氧八面體長程調制過程中靶向畸變模式的單一性和穩定性，為體系中雜化非本征鐵電性的確認排除了不必要的干擾。

研究人員表示，進一步的密度泛函理論（DFT）計算和Landau-Ginsburg-Devonshire（LGD）理論的鐵電相變模型分析，揭示了應變和氧八面體畸變對外延超晶格薄膜中鐵電性的調節機制。據趙世峰介紹，這項研究成果證實了鈣鈦礦超晶格體系中關于雜化非本征鐵電性的理論預測，填補了相關實驗研究的空缺，為揭示八面體畸變誘導雜化非本征鐵電性提供了有力的數據支撐。科研人員相信，該研究同時為實現可操控鐵電和鐵磁序共存的單相多鐵材料提供了新的設計思路。

趙世峰、高煒博、王聰為論文共同通訊作者。內蒙古大學物理學博士生蔣垚祥、牛建國及王聰為文章共同第一作者。該研究得到了國家自然科學基金面上項目、內蒙古自然科學基金重點項目和內蒙古自治區高校創新團隊發展計劃、新加坡國家研究基金會等經費的資助。

相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-024-49707-x#MOESM3