马秀良课题组在超薄铁电体中发现界面氧八面体耦合调控的极化旋转现象

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铁电薄膜具有的多重耦合效应引起人们广泛的关注，尤其是极化旋转带来的多重极化态以及巨大的压电响应，使铁电薄膜在商用的多重记忆以及压电器件等方面具有潜在的应用价值。一直以来，研究人员认为在由钛酸铅和锆酸铅机械混合形成的典型压电PbZr0.52Ti0.48O3材料中，巨大的压电响应是由在该成分铁电四方（极化沿001方向）与菱方（极化沿111方向）两相共存导致形成的。近年来，随着研究手段的发展、仪器分辨率的提高，研究人员发现该成分中存在单斜结构的物相，表明正是在该低对称性相中极化方向的多样性主导了优良的压电性能，即极化旋转与压电特性密切相关。有鉴于此，在单相材料中发现极化旋转并解析其作用机制具有重要的科学意义和极大的应用潜力。以往的报道表明，极化旋转可能通过在超薄铁电薄膜中施加拉应变产生，寻找其他机制导致超薄铁电薄膜中发生极化旋转一直是该领域研究的热点。近日，中国科学院金属研究所的马秀良团队通过界面耦合效应调控出超薄铁电PbTiO3薄膜中的极化旋转现象。

该团队在两种不同衬底上分别外延生长了八个单胞PbTiO3薄膜，两种衬底分别为绝缘的SrTiO3以及导电的Nb:SrTiO3衬底。他们利用像差校正HAADF-STEM电子显微成像技术以及ABF-STEM技术，在实验上观察到PbTiO3薄膜内部由于界面耦合引起氧八面体畸变，进而观察到超薄PbTiO3薄膜内发生了自发极化旋转现象。

结合第一性原理计算，他们认为氧八面体旋转有利于PbTiO3薄膜内部的极化旋转保持稳定。在实验与理论的基础上，他们提出界面氧八面体耦合效应诱导超薄铁电薄膜内部发生极化旋转。该团队进一步在SrTiO3衬底上生长出不同厚度的超薄薄膜，发现该界面耦合效应引起极化旋转的临近厚度约为4 nm。在4 nm以下，薄膜内部均出现了极化旋转，在4 nm以上，该极化旋转消失。

这项工作表现了在调控铁电体的极化行为时新的机制以及新的可能性，对调控多重极化组态以及提高铁电体的压电性具有重要的指导意义。相关成果发表在ACS Nano 上。张思瑞博士为第一作者，朱银莲研究员和马秀良研究员为共同通讯作者。

该论文作者为：Sirui Zhang, Xiangwei Guo, Yunlong Tang, Desheng Ma, Yinlian Zhu, Yujia Wang, Shuang Li, Mengjiao Han, Dong Chen, Jinyuan Ma, Bo Wu and Xiuliang Ma

Polarization Rotation in Ultrathin Ferroelectrics Tailored by Interfacial Oxygen Octahedral Coupling

ACS Nano, 2018, 12, 3681, DOI: 10.1021/acsnano.8b00862