杂化非本征铁电性（Hybrid Improper Ferroelectricity）起源于两种非极性八面体倾斜/旋转结构的几何效应，可以有效避免多铁材料设计中由电子机制引起的固有的化学不相容性（即d0准则）。通过结合点群理论的对称性分析和铁电相变相关的第一性原理计算，目前已经明确在层状钙钛矿氧化物和原子位点有序的钙钛矿超晶格体系中可以诱发杂化非本征铁电性。自Bousquet、Benedek和Fennie等人分别于2008年和2011年开展相关开创性工作以来，Oh等人于2015年首次在实验上证实了(Ca,Sr)3Ti2O7层状钙钛矿材料中存在杂化非本征铁电性。然而，层状钙钛矿结构复杂难以实现高质量的外延生长，且铁电性的集体行为受限于非钙钛矿层的阻隔，不利于器件功能设计、集成和微型化。
值得注意的是，钙钛矿超晶格作为另一种理论预测的材料，结构简单，易于外延制备，且具有连续的氧八面体架构，有望克服当前层状杂化非本征铁电体难以开展基础应用研究的技术困难。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成为了鲜有相关实验案例报道的关键技术难点。因此，设计和确认钙钛矿超晶格体系中杂化非本征铁电性是凝聚态物理领域多铁性研究的重要科学难题。
近日，我校物理科学与技术学院、自治区纳米科学与技术重点实验室赵世峰教授课题组在《Nature Communications》（《自然•通讯》）上发表题为“Experimental demonstration of tunable hybrid improper ferroelectricity in double-perovskite superlattice films”的研究论文。该工作提出了一种氧八面体倾斜/旋转与Jahn-Teller畸变协同的杂化非本征铁电机制，并在B位原子有序的La2NiMnO6/La2CoMnO6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，并指出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判断非本征杂化铁电性的重要标准之一。
课题组通过臭氧辅助的材料生长工艺，实现高质量B位原子有序的双钙钛矿超晶格薄膜的生长。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+）下实现了八面体旋转和倾斜的长程调制，进而成功诱导并调控了La2NiMnO6/La2CoMnO6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，保证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，有利于体系中杂化非本征铁电性的确认。并且，通过DFT计算和Landau-Ginsburg-Devonshire理论的铁电相变模型揭示了应变和八面体畸变对外延超晶格薄膜中铁电性的调节机制。
这项研究填补了杂化非本征铁电性研究中关于钙钛矿超晶格体系的实验案例的空缺，为揭示八面体畸变诱导杂化非本征铁电性提供了有力的实验支撑，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。
应变驱动的八面体结构畸变对非本征杂化铁电性的诱导机制及相变理论模型
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-49707-x
我校物理科学与技术学院赵世峰教授为该论文的通讯作者，新加坡南洋理工大学高炜博教授和北京化工大学王聪副教授为共同通讯作者，我校物理学博士生蒋垚祥、牛建国分别为该论文的第一作者和共同第一作者，物理学博士生薛冬来、硕士生石晓辉为重要的参与作者。论文以内蒙古大学为第一通讯单位。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的资助。
主要作者简介：
蒋垚祥，2020级物理学在读博士，主要从事钙钛矿超晶格薄膜的多铁性调控研究。目前已完成脉冲激光沉积（PLD）设备“样品取放-传送”真空系统（Loadlock）的设计与改装；实现了钙钛矿超晶格薄膜的单晶外延制备及其原子级尺度的生长控制；在铁磁性双钙钛矿超晶格材料中设计并证实了室温杂化非本征铁电性的理论预言。以第一作者及共同第一作者发表SCI论文3篇（Nat. Commun., Small Methods, Appl. Phys. Lett.）。
牛建国，2022级物理学在读博士，主要从事氧化物超晶格薄膜的多铁性调控及铁电电阻开关效应研究。在读期间参与真空设备设计与改装；实现了超晶格薄膜特定外延结构的生长控制与非本征铁电畴的构建；提出弛豫铁电单元修饰的铁电畴工程显著降低了传统钛酸钡基铁电二极管的运行功耗。以第一作者及共同第一作者发表SCI论文2篇（Appl. Phys. Lett., Nat. Commun.）。
赵世峰，我校物理科学与技术学院教授、博士生导师、自治区纳米科学与技术重点实验室主任。内蒙古自治区草原英才、内蒙古新世纪321人才工程第一层次人选、内蒙古自治区自然科学二等奖完成人（1/3）、内蒙古高等学校创新团队带头人、内蒙古草原英才创新团队负责人。主持973课题、国家基金面上项目等国家级项目7项，主持内蒙古自然基金重点、杰青项目等省部级项目6项，至今已在Nat. Commun.; Acta Mater.; Appl. Phys. Lett.; Opt. Lett.等物理权威期刊上发表论文130余篇。出版学术专著2部，共计620千字；授权发明专利及软件著作权共16项。目前主要研究方向为团簇物理与原子制造、多铁纳米材料与物理、稀土功能氧化物材料与物理和新型微纳米光电能源材料。
（素材来源：科学技术处 编辑：李文娟 审核：刘雪峰）
