反鐵電鈣鈦礦氧化物中自發極化會呈現豐富的調制序構，在電場激勵下可以實現反鐵電態和鐵電態之間的可逆或不可逆轉變，并伴隨著強烈的電荷、體積或熱量變化，成為儲能、換能和驅動等應用的關鍵物理基礎。

目前，國際上關于PbZrO₃基反鐵電材料的基態結構存在廣泛爭議，理論上提出了多種能量相近并相互競爭的極化序構。這其中，一種具有三倍調制周期的亞鐵電相吸引了科研人員的廣泛興趣，因為它是唯一一種調制周期小于經典四倍周期的反鐵電相。因此，從實驗上來驗證這一新型亞鐵電相的客觀存在與調控，對于深入認識PbZrO₃基反鐵電材料具有重要意義。在這樣的背景下，上海硅酸鹽所的研究團隊通過構建晶格失配誘導相分離的策略，在PbZrO₃薄膜中構建出理論預測的三倍周期調制結構，并且其體積分數可以通過薄膜的厚度進行調控。一方面，實驗發現了這種特殊的三倍調制周期亞鐵電相與經典的四倍調制周期反鐵電相形成交替共生的分相結構，寬度約為3~20 nm，在[100]取向的薄膜中，兩相的界面平行于（110）面，且貫穿薄膜；另一方面，研究揭示了三倍調制周期亞鐵電相隨薄膜厚度增大而逐漸增多的現象，這一現象背后的物理機制主要與反相疇界有關。薄膜/襯底界面通過形成失配位錯釋放了大部分襯底對薄膜的壓應力，失配位錯、薄膜厚度和熱膨脹系數等多種因素決定了薄膜內反相疇界的密度。由于反相疇界是三倍周期調制結構的形核點和前驅體，從而通過控制反相疇界的形成就實現了利用膜厚來調控三倍周期亞鐵電相的體積分數。這些結果為深入認識PbZrO₃基反鐵電材料的極化序構和利用新型三倍周期結構開展性能研究提供了基礎。

PbZrO₃基反鐵電材料中新型三倍周期極化序構及其形成機制

相關研究結果以“Room-temperature Stabilizing Strongly Competing Ferrielectric and Antiferroelectric phases in PbZrO₃ by Strain Mediated Phase Separation”為題發表在Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-024-47776-6)。該工作第一作者為上海硅酸鹽所博士后于子怡，論文通訊作者為傅正錢副研究員、王根水研究員和許鈁鈁研究員，蘇州大學許彬教授和華東師范大學張媛媛副教授研究團隊為該工作提供了重要支持。以上研究工作得到了國家自然科學基金和上海市科委項目的資助和支持。

截至目前，研究團隊圍繞PbZrO₃基反鐵電材料的結構及其與性能關系的研究已取得了系列進展，包括揭示了PLZST反鐵電相的亞鐵電性極化序構及其與轉折電場的關聯機制（Nat. Commun. 2020, 11, 3809）；揭示了面缺陷對雙階和多階電滯回線的作用機制（Chem. Mater. 2021, 33, 6743 & ACS Appl. Mater. Inter., 2021, 13, 60241）；發現了溫度誘導電魔梯行為及其對寬溫域溫度穩定性的貢獻（Sci. Adv. 2022, 8, eabl9088）；闡明了反鐵電/鐵電相界處的原子尺度相變機理（Nat. Commun. 2022, 13, 1390）等，該系列研究工作加深了對PbZrO₃基反鐵電材料物理機制和構效關系的理解和認識。