鐵電的案例
湘潭大學：鐵電材料方面取得重要突破！
基于以上的想法，湘潭大學鐵電材料研究團隊與國防科技大學袁建民教授領導的團隊密切合作，發展了基于飛秒激光的鐵電疇分布表征的新方法：方位角-偏振依賴光學二次諧波探測方法。他們收集了不同樣品方位角和入射光偏振角下鐵電薄膜產生的光學二次諧波信號，并建立了相關的方位角-偏振依賴光學二次諧波模型；通過擬合測得的相關實驗數據與理論模型，確定了71°和109°疇壁的菱方相BiFeO3，及四方相BiFeO3、Pb(Zr0.2Ti0.8)O3和BaTiO3等鐵電薄膜復雜或簡單的疇結構，并準確獲得了該疇結構的分布情況。此項工作開發了一種優化的全光學方法，能準確得到鐵電薄膜中的鐵電疇結構及分布情況，可用來跟蹤和評估鐵電器件中鐵電疇的演變過程。此工作是鐵電研究團隊在這個方向的工作之一，還有一系列基于飛秒激光的超快探測相關工作在向前推進。
據了解，湘大鐵電材料研究團隊近一年以來還在柔性鐵電材料、新型多鐵材料等多個方向均取得了突破性進展，相關工作分別發表在Science Advances 3, e1700121 (2017) 和Nature Communications 9, 658 (2018)上。（來源：湘潭大學）
展開 今日Nature: 鐵電疇壁再發正刊，調制微波器件
復旦大學江安全教授點評道：
這是理論模擬與實驗結果完美結合的典范：通過薄膜與襯底的晶格匹配應力，調控鐵電居里溫度接近室溫附近，產生了大量的微疇，具有較高的疇壁密度；微疇壁的振動具有較低的能量損耗，馳豫時間接近了微波激勵頻率，對微波介電響應產生了巨大的貢獻；在直流偏壓的作用下，電疇長大，疇壁密度減小，同時馳豫時間延長，介電響應急遽下降，實現了電容的寬頻微波調制，同時Q品質因子接近100-1000。而基于傳統壓電效應的鐵電薄膜器件一般無法突破幾百MHz最高頻率的介電響應極限。作者從分子動力學角度，運用微疇壁振動模型很好地解釋了實驗結果，為未來鐵電薄膜器件在微波通信領域中應用鋪平了道路。
清華大學于浦教授也對此項工作做出點評：
鐵電材料在信息存儲、壓電效應、光電轉換、傳感等領域具有重要的應用前景。尤其是近年來絕緣鐵電疇璧處顯著增強局域電導，疇璧增強的巨大光電壓響應等一系列新奇功能特性為鐵電材料的應用和探索賦予了更多可能性。在該工作中，顧宗銓博士等人借助鐵電疇璧的增強效應完美展示了鐵電材料在微波調控領域的優越特性，為鐵電材料尤其是其疇結構的應用賦予了新的活力。
Drexel University的顧宗銓博士與Jonathan Spanier教授設計了研究工作。整個項目得到了加州大學伯克利分校Lane Martin教授，Bar-IIan大學Ilya Grinberg教授, 加州大學圣塔芭芭拉分校Robert York教授，以及賓夕法尼亞大學Peter Davies教授團隊的大力協助。
展開 我國學者發明新型納米晶鐵電材料結構
近日，西安電子科技大學在鐵電場效應晶體管研究領域取得突破性進展，發明了新型納米晶鐵電材料（Nanocrystal-Embedded-Insulator，NEI）并制備了鐵電負電容晶體管器件。
利用鐵電材料作為柵介質制備的鐵電晶體管是有望突破傳統MOSFET器件玻爾茲曼限制的新型信息器件之一，在低功耗電路和非易失存儲等方面有廣泛應用前景。2011年德國研究人員在摻雜氧化鉿（HfO2）材料中觀測到鐵電性，和傳統鐵電材料（如PZT，SBT等）相比，HfO2基鐵電和CMOS工藝完全兼容，因此HfO2基鐵電晶體管很快引起了微電子研究人員的極大關注。然而，從目前研究看，HfO2基鐵電材料尚存在以下問題：1）摻雜HfO2的本征缺陷導致鐵電材料存在不可避免的喚醒效應、印刻效應和易極化疲勞；2）實驗研究顯示HfO2基鐵電晶體管用作非易失存儲器時柵介質厚度一般為8~10 納米，而用作負電容晶體管時柵介質厚度為4納米左右，這限制了HfO2基鐵電晶體管在集成電路先進技術節點的應用。
針對上述問題，研究團隊采用先進的原子層沉積（ALD）工藝，在非晶順電介質Al2O3中嵌入少量氧化鋯（ZrO2）納米晶顆粒，實現了新型的納米晶鐵電薄膜。該材料的鐵電參數不僅可以通過改變ZrO2含量來大范圍調整，而且通過使用更致密的Al2O3和ZrO2代替HfO2，有效克服了摻雜HfO2本征缺陷引起的喚醒效應、印刻效應和極化疲勞，從而提高了器件的耐久和保持特性。此外，由于NEI介質整體為不定形（amorphous）相，可以被制備得非常薄。在對NEI進行詳細鐵電特性表征的基礎上，研究團隊還制備了3.6 納米NEI 鐵電負電容器件。
展開 應變鐵電聚合物的環極拓撲
近日，來自清華大學的沈洋&南策文等研究者，報道了在鐵電聚合物中自組織的環狀拓撲結構，聚(偏氟乙烯-ran三氟乙烯)[P(VDF-TrFE)]中，它展示了具有反耦合手性域的同心拓撲。相關論文以題為“Toroidal polar topology instrained ferroelectric polymer”發表在Science上。
論文鏈接：
https://science.sciencemag.org/content
在過去的幾十年里，自旋、電荷、軌道和晶格自由度的操縱，導致了許多關鍵的發現，如多鐵質、巨磁電阻和高溫超導體等。將實空間有序參數，組合成環形拓撲模式，如磁旋(自旋)、極渦(電荷)和極旋(電荷)，一直是廣泛研究的主題。這些拓撲結構的環面力矩，對外界刺激的響應，有望引起熱環效應、壓電環效應、手性的電場控制以及其他新興現象。在鐵電氧化物中，觀察到環狀極性拓撲結構，包括應變的PbTiO3薄膜和交替的PbTiO3/SrTiO3層的超晶格。偶極矢量通量的閉合，是由彈性能量、電能量和梯度能量之間的競爭引起的，這涉及到電荷、軌道和晶格自由度的相互作用。
有機鐵電體，是一種很有應用價值的材料，因為它們可以溶液處理，成本較低，而且可能比陶瓷鐵電體，具有更好的靈活性。目前研究最多的有機鐵電體系，是聚偏氟乙烯(PVDF)及其二元和三元共聚物。PVDF的初級偶極矩，是由沿聚合物鏈的-CF2和-CH2基團交替產生的，而垂直于聚合物鏈的永久偶極，可以通過曲軸繞鏈軸旋轉而被電場轉換。然而，在鐵電聚合物中，還沒有觀察到環極性拓撲。PVDF中偶極矩的起源，與氧化物中偶極矩的起源不同。PVDF的半晶性，導致大量的非晶相具有隨機分布的鏈，阻礙了長程極性序的形成。這就提出了鐵電聚合物中，是否存在環極拓撲的問題，并且可以確定拓撲形成的驅動力。
展開 
金屬所在鐵電異質界面 發現極化巨大增強現象
該研究結果不僅為探索新型鐵電界面效應提供了新途徑，也為破解鐵電超薄薄膜極化降低的科學難題提供了嶄新的思路，對納米鐵電器件的發展具有重要意義。
該項研究得到了國家自然科學基金、中科院前沿科學重點研究項目以及科技部“973”計劃等資助。相關成果于5月31日在《納米快報》上在線發表。
論文鏈接
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.7b00788
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左如忠教授團隊JMCA: 一種新型的類線性無鉛弛豫反鐵電陶瓷
【引言】
關于儲能介質陶瓷材料的研究，目前主要集中在線性介電陶瓷、正常鐵電陶瓷、弛豫鐵電陶瓷和反鐵電陶瓷四大類。其中，正常鐵電體由于高剩余極化而具有較低的儲能密度和效率；線性介電陶瓷往往具有低介電常數而導致儲能密度較低；弛豫鐵電陶瓷儲能密度受制于較低的擊穿場強；反鐵電陶瓷則由于可逆相變過程的滯后性而使得儲能效率較低且疲勞特性差。因此，在這些陶瓷介質材料中獲得的儲能密度和儲能效率之間往往存在嚴重制約，無法同時獲得優值。
【成果簡介】
近日，合肥工業大學左如忠教授和祁核博士通過組成調制增強反鐵電材料的介電弛豫行為，借助引入局域隨機場來提高反鐵電-鐵電相變的驅動電場，制備了一種具有較高介電常數、類線性極化響應的(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xNaNbO3（BNT-NN）無鉛弛豫反鐵電陶瓷材料，在獲得優異儲能效率η~85%的同時，成功地在塊體陶瓷材料中實現迄今文獻報道最高的放電儲能密度值W~7.02 J/cm3，突破了W和η往往嚴重制約的技術瓶頸，并在J. Mater. Chem. A上發表了題為“Linear-like lead-free relaxor antiferroelectric (Bi0.5Na0.5)TiO3-NaNbO3 with giant energy-storage density/efficiency and super stability against temperature and frequency”的研究論文。作者通過高分辨TEM、變溫Raman光譜和XRD結構精修等技術手段證實了優異的儲能特性主要源于體系具有高活性極性納米微區的反鐵電相結構。
展開 2D鐵電材料的層依賴鐵電極化
二維范德華鐵電材料是否具有層依賴的鐵電極化特性也備受關注。因此，探索層依賴的本征鐵電極化和極化反轉以及研究極化關聯的輸運對理解二維鐵電極化的物理機制和引導構建鐵電基器件極為重要。
在此，來自山西師范大學的薛武紅副教授和許小紅教授，報道了2H α-In2Se3具有層依賴的鐵電極化現象。與
2H α-In2Se3偶數層相比，奇數層具有較大的面內電極化且能夠實現極化反轉；由于面內和面外極化的關聯性，當面內極化被電場反轉后，面外極化也出現類似的層依賴特性。該結果豐富了二維材料家族的層依賴物理特性，為有效構建極化關聯的納米器件（如：存內運算和復雜的神經形態運算等）提供了有意義的指導。
展開 反鐵電PbZrO?薄膜中低電壓驅動的高性能熱開關
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總結與展望
總之，本研究報告了一種低電壓驅動的高對比度、快速度和長壽命的反鐵電 PZO 熱開關，它采用了一種新穎的機制，即可逆地調節基元池內的原子數（n）。只需打開或關閉外部電場即可實現熱轉換，這意味著不存在移動部件。這將有助于促進基于 PZO 的熱開關與其他系統的集成。這些發現加深了人們對（反）鐵電中聲子傳輸的理解，并為實現熱傳導的主動控制提供了一種有效的策略。
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鐵電領域再度取得重大突破！
2015年，金屬所馬秀良研究員、朱銀蓮研究員和唐云龍博士等通過PbTiO3/SrTiO3鐵電多層膜的設計實施應變調控，發現鐵電材料中的通量全閉合疇結構并成功制備出由順時針和逆時針閉合結構交替排列所構成的大尺度周期性陣列(Science 2015)。該項工作發表后迅速激發了國際上關于新型鐵電極化拓撲結構及性能研究的熱潮。在上述工作的基礎上，2016年加州大學伯克利分校及勞倫斯伯克利國家實驗室制備并利用同樣的電子顯微學方法，在相同成分、不同應變條件下的PbTiO3/SrTiO3超晶格體系中發現了鐵電渦旋疇陣列(Nature 2016)。目前，其它可能的新型電極化拓撲結構及其潛在誘導新性能已成為低維氧化物功能材料領域的研究熱點，國際上許多相關的課題組正在對其展開全方位探索研究。
唐云龍博士在2017年2月至2019年4月訪問伯克利期間，作為主要實驗設計者和完成人員之一，在前述工作基礎上，與加州大學伯克利分校的R. Ramesh教授課題組、加州大學伯克利分校L. Martin教授、賓州州立大學陳龍慶教授以及西班牙坎塔布里亞大學J. Junquera教授等課題組深入合作，在鐵電材料極化拓撲結構研究中再度取得重大突破：他們在PbTiO3/SrTiO3超晶格中發現了室溫穩定存在的電極化斯格明子晶格（圖1-3）。2019年4月17日，相關結果以“Observation of room-temperature polar skyrmions”為題，在Nature雜志在線發表。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1092-8
自2009年開始，磁性斯格明子晶格的實驗觀測掀起了相關的動力學及理論物理研究熱潮，以探索其作為新型自旋電子器件的潛力。
展開 鐵電材料方面的期刊有哪些？
期刊名稱：鐵電材料器件
檢索類型：SCIE，EI
審稿時間：一個月左右
期刊簡介
本刊旨在為電子工程師和物理學家以及從事集成鐵電器件研究，設計，開發，制造的工程師和化學家提供了一個國際性的跨學科論壇。
征稿范圍
主要關注鐵電材料相關的新型電子器件研究，包括獨特非易失性存儲器，熱電，壓電，光折變，抗輻射，聲學和/或介電特性與動態存儲器，邏輯和/或放大特性和小型化以及低成本的半導體ic優勢技術等。
聯系：3239114381
光伏鈣鈦礦：鐵電鐵彈互懟，結果電致伸縮贏了
除微觀的AFM測試外，作者們也進行了電致伸縮的宏觀測量(圖ab)以及XRD測試（圖cd），進一步證實了甲胺碘鉛大電致伸縮現象。有意思的是，除了大的二階電致伸縮應變外，作者們也觀測到一階壓電應變（圖b），并估算其壓電系數為3.1pm/V。宏觀一階壓電響應的存在，證明這個樣品確定無疑是中心對稱性破缺的極性材料。至于是不是鐵電，則取決于操作層面是否能讓其極性反轉，并非根本問題。此外，我們也根據XRD峰位漂移估算了其電致伸縮應變大小，和此前的微觀測試也數量級相當。
物理現象確認后，剩下的問題當然是可能的微觀機理。研究人員首先排除了麥克斯韋力和本征電致伸縮等因素。他們發現電致伸縮響應的時間尺度在毫秒量級，如下圖所示。而如果電場激勵頻率提高到千赫茲水平，則無法實現大的電致伸縮應變，顯示這一現象可能與離子運動有關。結合第一性原理計算，他們推測，甲胺碘鉛大的電致伸縮應變，來自電場誘導的間隙原子-空位缺陷對。
這個工作非常漂亮，也很有啟迪。當大家還在糾結到底是鐵電還是鐵彈的時候，作者們另辟蹊徑，發現甲胺碘鉛原來具有大的電致伸縮效應。與此前方法不同的是，他們采取了電容器結構，并在低頻下測試。研究就是如此，變換一點花樣，常會有意外驚喜。
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北科大今日Science:新型“相間應變”策略構建具備巨大極化強度的鐵電薄膜
【引言】
一般而言，控制應變能夠增強多功能材料諸如磁阻、超導電性、鐵電性以及反鐵磁性等方面的性能。而在這其中，應力鐵電體如四方鈣鈦礦氧化物由于具備較大的偶極矩而擁有較高的極化值和居里溫度。目前的理論已經證明，各向同性拉伸應變（負壓）可以有效增加此類化合物的四方性和極化值。然而，如何在外延膜上簡單構建高負壓環境是非常巨大的挑戰。
【成果簡介】
近期，北京科技大學的陳駿教授以及邢獻然教授（共同通訊作者）等人提出了新型“相間應變”的策略并以此在超四方性薄膜上實現了巨大極化。該研究發現利用晶格結構相似、晶格參數不同的兩種材料，在外延生長時晶界處的晶格參數是相互匹配的，從而可在材料間產生各向同性應變，即“相間應變”。利用這種“相間應變”策略，研究人員在PbTiO3外延復合鐵電薄膜上引入高負壓從而實現了巨大的極化性能，其剩余極化強度可達到236.3微庫倫/cm2，是現有已知鐵電體的2倍。此外，這種薄膜的超四方性相在725℃的高溫下依然穩定，而對應塊體的相轉變溫度卻只有490℃。2018年8月3日，相關成果以題為“Giant polarization in super-tetragonal thin films through interphase strain”在線發表在Science上。
展開 高絕緣-鐵電復合微粒顯著提高柔性聚合物復合材料的靜電儲能性能
近日，中國科學院深圳先進技術研究院先進材料科學與工程研究所（籌）在電介質儲能材料領域獲得新進展。該研究通過對填料粒子的設計，將具有高介電常數的鈦酸鋇粒子與具有高擊穿強度、高熱導率的氮化硼納米片進行結合，形成特殊結構的復合粒子，與聚合物復合后可顯著提高復合材料的擊穿強度和介電儲能性能。相關論文以Significantly Enhanced Electrostatic Energy Storage Performance of Flexible Polymer Composites by Introducing Highly Insulating-Ferroelectric Microhybrids as Fillers（高絕緣-鐵電復合微粒顯著提高柔性聚合物復合材料的靜電儲能性能）為題發表在權威刊物Advanced Energy Materials（《先進能源材料》，2018, 1803204，IF=21.875）。羅遂斌高級工程師為第一作者，于淑會研究員和孫蓉研究員為通訊作者。
圖(a) BT@BN復合顆粒的制備流程示意圖；(b) BT@BN復合顆粒TEM照片；(c) 復合材料擊穿強度。
電介質儲能技術具有異?？斓哪芰哭D換速率，同時具有工作時間長以及環境友好等特點，目前已經在現代電子電力工業如可穿戴電子、混合動力汽車、武器系統等領域得到廣泛應用。隨著電子器件向小型化和高性能化方向的發展，迫切需要具有高儲能密度的電介質材料。
為此，研究團隊將氮化硼納米片（BNNS）與鈦酸鋇（BT）納米顆粒的分散液進行混合和抽濾后，在較高溫度下處理，一定程度上熔融的BNNS將BT顆粒緊密包覆，形成復合顆粒BT@BN。
展開 美不勝收妙不可言，中國團隊用水將蘭亭序“活字印刷“上頂刊
鐵電材料具有非易失的、電場可控的電極化和表面電荷，有可能在液體環境中提供可翻轉的界面電場。因此，對液體環境中表面電荷特性的研究將有助于更好的理解和控制固-液界面結構以及所伴隨的能量轉化行為，進而實現對界面化學反應的調控。反之，其界面的化學反應能否翻轉鐵電材料的體極化呢？盡管60多年前人們就提出了鐵電極化對表面化學的影響5，但其逆過程仍然知之甚少，鐵電體與液體界面處的分子吸附/脫附、以及復雜的電荷轉移過程阻礙了人們對鐵電-液體界面化學結構和能量轉化過程的理解。因而，原位界面化學反應實現鐵電材料體極化的翻轉仍然是一大挑戰。
最近，北京師范大學張金星小組與清華大學、中科院物理所、北京理工大學和賓州州立大學合作，歷經4年多的努力，深入探索了無鉛鐵電材料（鐵酸鉍）與水溶液（普適的化學溶劑和生命之源）的界面物理和化學行為。發現不同鐵電極化表面可以有選擇性的誘導界面化學反應和離子成鍵，幫助有效的構建了固-液界面結構。不僅如此，選擇性的表面離子鍵合能夠實現巨大的表面離子位移，進而能夠帶動鐵電材料體極化的可逆翻轉。
圖1
水溶液誘導材料體極化翻轉
及其伴隨的表面化學成鍵
圖2
酸溶液誘導材料體極化翻轉
及其伴隨的表面化學成鍵
不同于傳統的控制方法如電場、機械力等，全水溶液原位可逆翻轉鐵電極化不需要消耗化石能源，實現了電極化翻轉的綠色調控。此工作以中國書法藝術《蘭亭序》中的“水“字為例，展示了對鐵電極化大面積、低成本的”活字印刷“技術（如圖3所示）。
展開 浙江大學Advanced Materials: 靜電力驅動的氧化物異質外延與界面調控
【引言】
鈣鈦礦氧化物及其異質結具有多層次的物理及化學性質，如鐵電性、鐵磁性以及超導性等，這已經成為當今凝聚態物理和材料科學領域的熱點課題之一。其中,鈣鈦礦鐵電氧化物因其獨特的鐵電極化性能和極化屏蔽性能，這已被廣泛地研究及應用。然而，鐵電氧化物極化表面對異質結生長的調控作用以及界面微結構、性能的關聯尚不清楚。因此,基于鐵電極化設計并構建鈣鈦礦氧化物的異質結、系統研究異質結的生長與調控、界面屏蔽機制及其功能性，這將為新型光電、磁性、催化、傳感等方面的拓展應用提供重要的理論支持。
【成果簡介】
近日，浙江大學韓高榮教授、任召輝副教授課題組與張澤院士、田鶴研究員課題組通力合作，設計并發展了一種以鐵電極化表面靜電力來驅動氧化物外延生長，從而制備高質量鐵電氧化物異質結的新方法。研究人員設計在PTO鐵電表面外延生長不同組分、結構以及應變的氧化物(Ti02/PTO、STO/PTO以及BFO/PTO)，利用水熱法成功制備出具有原子級平整界面的氧化物異質結,外延生長均發生在單疇PTO的正極化面上。這說明了鐵電極化調控外延生長的這種方法是具有較好的普適性，其生長的界面與傳統方法如PLD、MBE等所得界面基本無差別。相關的研究成果以題為“Electrostatic Force-Driven Oxide Heteroepitaxy for Interface Control”發表在Advanced Materials上。
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