涉及杂化非本征铁电！一项理论预言被证实

“钙钛矿超晶格”是一种理论预测的铁电材料，相较于层状钙钛矿氧化物薄膜，其结构简单且易于外延制备，同时具有连续的氧八面体架构，有望克服当前杂化非本征铁电体难以开展应用基础研究的技术壁垒，如器件的功能设计、微型化与集成化等。然而，如何实现钙钛矿超晶格体系中氧八面体靶向畸变模式的长程调控以及确认杂化非本征铁电性的实验判据，是当前实验上未有突破性进展的关键技术难点。因此，设计和确认钙钛矿超晶格体系中“杂化非本征铁电性”已成为当前凝聚态物理领域多铁性研究的重要科学难题。

近日，内蒙古自治区纳米科学与技术重点实验室教授赵世峰、北京化工大学数理学院副教授王聪、新加坡南洋理工大学教授高炜博带领的科研团队提出了一种氧八面体倾斜/旋转与Jahn-Teller畸变效应协同诱导的杂化非本征铁电机制，在B位原子有序的La₂NiMnO₆/La₂CoMnO₆（LNMO/LCMO）双钙钛矿超晶格氧化物薄膜中实现了室温杂化非本征铁电性的诱导和调控，指出了应变调控八面体倾斜与旋转的耦合对铁电性的非单调激发特性是实验上确认非本征杂化铁电性的重要判据之一。相关成果于7月2日在《自然-通讯》（Nature Communications）上刊发。

LNMO/LCMO钙钛矿超晶格薄膜中非本征杂化铁电性的诱导机制及其测试表征。研究团队供图

在最新发表的论文中，科研人员通过臭氧辅助的材料生长工艺，实现了高质量B位原子有序的LNMO/LCMO双钙钛矿超晶格薄膜的生长。研究发现，由于特殊的多晶轴取向契合的外延生长模式，超晶格薄膜在较小的晶格失配下实现了较大的应变传输厚度。通过进一步精确控制厚度依赖的外延应变，在同一靶向氧八面体畸变模式（a^-a^-c⁺）下可以实现八面体倾斜和旋转的长程调制，并成功诱导和调控了超晶格薄膜的杂化不当铁电性。这一策略摒弃了通过改变晶格失配来调节外延应变的常规方法，确保了氧八面体长程调制过程中靶向畸变模式的单一性和稳定性，为体系中杂化非本征铁电性的确认排除了不必要的干扰。

研究人员表示，进一步的密度泛函理论（DFT）计算和Landau-Ginsburg-Devonshire（LGD）理论的铁电相变模型分析，揭示了应变和氧八面体畸变对外延超晶格薄膜中铁电性的调节机制。据赵世峰介绍，这项研究成果证实了钙钛矿超晶格体系中关于杂化非本征铁电性的理论预测，填补了相关实验研究的空缺，为揭示八面体畸变诱导杂化非本征铁电性提供了有力的数据支撑。科研人员相信，该研究同时为实现可操控铁电和铁磁序共存的单相多铁材料提供了新的设计思路。

赵世峰、高炜博、王聪为论文共同通讯作者。内蒙古大学物理学博士生蒋垚祥、牛建国及王聪为文章共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金面上项目、内蒙古自然科学基金重点项目和内蒙古自治区高校创新团队发展计划、新加坡国家研究基金会等经费的资助。

相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-024-49707-x#MOESM3