铁电氧化物薄膜在器件中以多层异质界面结合的形式存在。不同层薄膜在外场作用下力学响应的不一致，且铁电材料内部丰富的畴/相微结构，导致铁电薄膜在器件使役过程中产生非协调的变形和受力。在铁电薄膜器件小型化的趋势下，这种非协调的应力愈发剧烈。同时，铁电薄膜在制备、加工、转移和器件集成的过程中也会不可避免地发生力学变形和受到应力。近期铁电自支撑薄膜的制备和转移以及柔性铁电器件的发展，使研究者们越来越关注铁电氧化物薄膜的可变形性和非协调应力作用。然而，铁电氧化物由于其成键类型和滑移系，往往体现出脆性，缺乏力学可变形性，从而限制了其材料器件的制备和应用。 近期研究工作表明，通过引入位错，可提高铁电氧化物薄膜的力学可变形性。然而，位错在铁电氧化物薄膜中的形核和滑移很难控制。而且位错的引入本身又会降低铁电氧化物薄膜在器件使役过程中的性能和稳定性，不但阻碍极化的翻转、钉扎铁电畴的演化，还会在使役的循环外载下积累造成材料疲劳、破坏和失效。如何在需要力学变形的制备和转移阶段可控的引入位错并控制位错滑移、并且在材料使役前可控的移除位错，满足铁电氧化物薄膜各阶段的需求，打破可变形性和性能之间的矛盾，成为铁电氧化物薄膜位错调控的关键问题和难点挑战。图1 铁电氧化物薄膜中位错形核和湮灭的力电耦合调控。该成果被编辑推荐选为Editors’ Suggestion文章。 针对上述问题，省重室科研团队通过分子动力学模拟，研究了铁电氧化物PbTiO3薄膜中位错形核、滑移和逃逸以及应力和极化分布的演化过程，并揭示了其中的动力学机制。借助铁电畴壁和薄膜表面交接点处的应力集中，利用电场控制畴壁位置从而实现了位错形核的调控。同时，发现了电学极化翻转和力学变形弛豫之间时间尺度差异可在铁电薄膜中产生非协调应力，导致位错的棘轮式滑移，从而实现位错的可控逃逸。相关成果以“Electromechanical coupled modulation of dislocation nucleation and annihilation in ferroelectric oxide films”为题在线发表在凝聚态物理领域国际知名期刊Physical Review B上，该工作被编辑推荐选为Editors’ Suggestion文章（图1）。图2 铁电PbTiO3薄膜位错的可控形核。a. 力电外场加载的示意图。b. 含有畴壁且无缺陷的铁电PbTiO3薄膜。c. 施加面内压缩载荷后螺位错在畴壁面上形核并滑移。d. 电场调控移动畴壁位置，螺位错仍停留在原滑移面处。e. 再次施加压缩后新的螺位错在畴壁面上形核并滑移。f. 电场调控完全翻转极化在单畴中保留螺位错。 省重室科研团队首先对铁电氧化物薄膜进行了面内的力学压缩，结果发现薄膜面内压缩变形会在铁电薄膜中产生螺位错。这种类型的螺位错优先会在铁电畴壁和薄膜表面的交接处形核。极化和应力分布图案的分析表明，压缩变形会将改变畴壁与表面交接处的极化分布，把原来由于静电力导致的表面极化钝化状况转变为锐利的180度畴壁，并且在交接处产生应力集中。这种应力集中诱导了螺位错在此处形核，同时也体现了位错形核中力学弹性变形能向静电能转换的过程。另外模拟结果发现，位错形核后，当我们通过电场移动畴壁时，位错并不会改变其滑移面，从而可以实现畴壁和位错的分离。畴壁诱导位错形核并能与位错分离的现象启发我们利用电场改变畴壁位置并施加压缩载荷，可以精确控制螺位错在铁电氧化物薄膜中的形核（图2）。我们通过电场改变畴壁位置，再施加力学压缩载荷，使螺位错在畴壁与薄膜表面交接处形核并沿畴壁面滑移至薄膜内部。重复电场调控畴壁位置和力学压缩加载诱导位错形核的过程，我们可以任意地、精确地在铁电PbTiO3薄膜中引入可滑移的螺位错，增强铁电薄膜的塑性和韧性。图3 铁电PbTiO3薄膜位错的棘轮式滑移与可控移除。a. 电场加载、位错位置和面内正应力随时间的变化曲线。b-h. 力电耦合激励下位错的滑移和逃逸及极化图案演化。 省重室科研团队同时利用极化翻转和变形弛豫时间尺度的不匹配在铁电薄膜中产生振荡且衰减的非协调应力，驱动位错产生棘轮式的单向滑移并最终将位错从薄膜表面移除（图3）。铁电PbTiO3薄膜中已存在的螺位错，因其产生的应力场导致了周围极化的非均匀分布。在施加竖直电场超过铁电薄膜的矫顽场时，位错附近的非均匀极化发生集体翻转，形成沿电场方向的均匀极化。在这种极化翻转过程中，位错附近具有水平极化分量的区域突然变化为竖直方向，导致薄膜在面内的局部收缩。这种收缩是伴随极化失稳翻转导致的，所以时间尺度较短。因为其远小于力学变形弛豫的时间尺度，周围的晶格结构不能马上通过变形松弛应力，从而导致在位错附近形成强烈的、突然的、振荡且衰减的面内非协调应力。在这种面内非协调应力的驱动下，位错发生滑移。因为振荡且衰减的面内非协调应力具备不对称性，同时施加电场和释放电场两个过程中极化翻转电滞回线和薄膜力学弛豫变形响应的非对称性，共同导致了位错产生棘轮式单向的滑移。通过循环电场加载和卸载，持续的棘轮式单向滑移使位错移动至薄膜表面并逃逸湮灭。本文中作者们通过建立了质点-弹簧-阻尼理论模型，分析了位错在受到面内非协调应力和滑移阻尼下的动力学行为，拟合了位错的等效质量和阻力系数，与模拟计算结果相互验证，也揭示了铁电薄膜位错的力电耦合滑移机制。 综上所述，本研究成果利用分子动力学模拟，发现畴壁与薄膜表面交接处的应力集中可以导致螺位错的形核，也发现了阶跃电场的加载可以实现位错棘轮式单向滑移，揭示了铁电薄膜中位错在力电耦合下的形核、滑移和逃逸的动力学行为和机制。发展了通过电场移动畴壁从而调控位错形核位点的引入位错新方法，也提出了通过针尖在薄膜表面施加循环电场驱动位错单向滑移并逃逸的位错移除新方法，实现了铁电薄膜中位错的可控形核和移除，可满足铁电氧化物薄膜各阶段对位错密度的不同需求，有望打破铁电氧化物薄膜可变形性和性能之间的矛盾。 该研究成果由中山大学独立完成，物理学院硕士研究生李刚畅为论文第一作者。该研究依托广东省磁电物性分析与器件重点实验室以及广东省磁电物性基础学科研究中心平台支持开展理论计算工作，得到了国家自然科学基金重点项目、区域联合项目和面上项目、国家重大科研仪器研制项目、中央高校基本科研业务费专项资金的资助，国家超级计算广州中心为该研究工作提供高性能计算资源。论文信息：Gangchang Li, Haohua Wen, Yi Zhang, He Jiang, Jijie Huang, Wenpeng Zhu* and Yue Zheng*. Electromechanical coupled modulation of dislocation nucleation and annihilation in ferroelectric oxide films. Physical Review B, 111, 224101 (2025).原文链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.111.224101

具有压电/铁电性的极性聚合物因其独特的力、电特性，在能量收集、传感、驱动及柔性电子等前沿领域展现出巨大潜力与应用价值。然而，这类材料的核心力学行为、电学响应与其内在的化学结构，特别是极性基团和极性键的空间排布与有序度，存在着深刻的耦合关系。这种力-电-化多场耦合机制，一方面极大地拓展了材料性能的可设计性与调控维度，为创造新一代智能材料提供了丰富可能；另一方面，也构成了研究中的核心难点。要真正理解并精准调控极性聚合物性能，亟需在纳米甚至分子尺度上同步解析极性微区结构与特定化学键/基团构象的动态关联。遗憾的是，现有技术手段难以实现这种多物理场、跨尺度的原位协同表征，这已成为制约极性聚合物基础研究与高性能化开发的关键瓶颈。 针对上述挑战，中山大学物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室张潇悦副教授课题组通过结合原位电学调制、线偏振红外激励和原子力探针测量，提出了一种电控光热力显微镜技术(Electrically Modulated Photothermal Force Microscopy, ePTFM)。其在纳米尺度上实现了极性演化过程中有机极性基团和极性键取向、构象的特异性表征，可有效研究电驱动下极化与化学结构演变的耦合关系。图1 ePTFM构造及原理示意图：a. ePTFM的主要构造。b. 探针振幅随调制电压变化示意图。c. 分子转动与红外信号强度关联示意图。 利用该方法，研究人员首先表征了edge-on型P(VDF-TrFE)薄膜铁电翻转过程中分子构象的演化（图2）。通过测量-CF2基团红外吸收强度随极性翻转中的改变（IR-E loop），并根据跃迁偶极矩的红外吸收光偏振方向依赖性进行分析，发现-CF2对称和反对称伸缩振动模态的红外吸收强度均随电压改变呈蝴蝶形回滞，且互为倒置。因此edge-on型P(VDF-TrFE)极化翻转是由-CF2的旋转驱动的。该结果验证了本方法特异性表征极性与分子构象演化的能力。此外，实验结果显示ePTFM信号不易受到静电力等因素干扰，因此可很好地规避在压电力显微镜中常见的由电荷注入等导致的假象。图2 电压驱动edge-on型P(VDF-TrFE)中的CF2转动. a. edge-on结构示意图。b. CF2铁电翻转时CF2基团转动示意图。c. edge-on结构薄膜的原子力显微镜形貌表征。d. 压电力显微镜电滞回线。e. 1289 cm-1的IR-E loop结果。f. 1183 cm-1波数下的IR-E loop结果。 在上述工作基础上，研究人员进一步利用该方法对涡旋畴结构P(VDF-TrFE)的极性翻转结构机理进行探索（图3）。涡旋畴结构P(VDF-TrFE)具有face-on型空间结构。传统认为其自发极性方向主要沿面内方向。然而，face-on型P(VDF-TrFE)在面外方向上依然具有铁电性，其结构机理此前并不明确。研究人员通过该方法表征发现，face-on型P(VDF-TrFE)面外方向极性翻转并不由-CF2旋转驱动，这显著区别于edge-on型P(VDF-TrFE)。进一步实验结果显示，face-on型P(VDF-TrFE)中TTTG构象的红外回线出现蝴蝶回滞状演化形式。结合变电压红外成像分析，该研究提出了Trans(T)-Gauche(G)构象转变的极性翻转机制，即face-on型P(VDF-TrFE)面外极性翻转由应力和电场的共同作用下的链式构象转变驱动。图3 face-on型P(VDF-TrFE)的表征及极性翻转模型：a. face-on结构示意图。b. 形貌及面内压电力显微镜表征结果。c. face-on及edge-on结构薄膜红外光谱对比。d. 正极化与负极化时聚合物链式构象示意图。e. 面外压电力显微镜电滞回线表征结果。f. 1120 cm-1的IR-E loop结果。g. 1289 cm-1的IR-E loop结果。h. 基于构象转变的极性翻转机制示意图。 综上所述，本研究提出了ePTFM表征方法。其结合原位电学调制、线偏振红外激励和原子力探针测量，成功实现了纳米尺度上极性与特定化学键/基团构象的关联分析。运用该方法，本工作分别研究了edge-on和face-on型P(VDF-TrFE)极化翻转的结构机理。相信ePTFM将为有机极性材料的力-电-化多场耦合研究提供新的视角，对于深入理解并精准调控极性聚合物性能具有重要价值。 研究成果以“Electrically Modulated Photothermal Force Microscopy for Revealing Molecular Conformation Changes During Polarization Switching at the Nanoscale”为题发表在国际知名期刊《Nature Communications》上。该工作由中山大学独立完成，物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室张潇悦副教授、郑跃教授为论文通讯作者，博士研究生姚松佑为第一作者。研究工作得到了国家自然科学基金、广东省磁电物性分析与器件重点实验室、广东省磁电物性基础学科研究中心和中山大学分析测试中心的大力支持。 原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-61892-x

传统晶体管小型化进程中面临的“功耗墙”问题难以克服，摩尔定律面临终结，迫切需要寻求器件结构和机理的变革。铁电材料的负电容效应有望克服玻尔兹曼电子分布限制，推动功耗继续降低。然而，由于负电容效应具有瞬态性和不稳定性，探究其背后的铁电畴动力学机制十分困难，导致畴动力学与负电容之间的关联机制仍不明确。 中山大学物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室张溢副教授课题组采用原位透射电子显微镜和脉冲测试技术结合的高时空分辨表征技术(图1)，揭示了单层铁电体和铁电/介电异质结薄膜中的负电容效应与畴动力学的关联机制，为基于铁电畴动力学设计低功耗负电容器件提供了参考。图1 基于高时空分辨表征技术观测负电容效应 研究人员首先研究了单层铁电体和铁电/介电异质结中的铁电畴翻转模式，发现单层铁电材料中的铁电畴翻转具有形核、纵向生长和畴壁运动三个特征阶段(图2)，其中铁电畴的形核与纵向生长对负电容的贡献显著高于畴壁运动。由于界面电荷对铁电畴翻转的辅助作用，铁电/介电异质结构中的铁电畴翻转则表现为快速且均匀的朗道式翻转，并且具有增强的负电容效应(图3)。通过结合宏观脉冲测试结果分析发现，铁电/介电异质结的极化翻转速率比单层铁电体快数十倍，并且负电容效应的强度大、回滞小。基于此，有望开发高速、无回滞的超低功耗负电容器件。图2 单层铁电和铁电/介电异质结薄膜中的铁电畴动力学: (a) 结构示意图；(b、c) 分别为单层铁电和铁电/介电异质结薄膜中铁电畴翻转行为；(d) 单层铁电体中畴翻转诱导的电荷注入示意图；(e) 铁电/介电异质结中界面电荷辅助极化翻转的示意图；(f、g) 外电场作用下能量势垒变化的示意图。图3 铁电/介电异质结负电容效应与畴动力学的宏微观测试结果：(a) 瞬态电压降和积分电荷曲线；(b) 不同时刻的TEM暗场像；(c、d)异质结电容器的极化翻转电流曲线和回滞特性(宏观脉冲测试)；(e) 单层铁电与异质结电容器的极化翻转速率对比。 相关研究成果于2025年6月9日以“Direct Observation of Ferroelectric Domain Switching Dynamics Under Negative Capacitance Conditions via In Situ Transmission Electron Microscope”为题发表在国际知名期刊《ACS Nano》上，并被选为该杂志的封面文章。中山大学为该成果的第一署名单位，物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室郑跃教授与张溢副教授为论文通讯作者，博士研究生吴祎玮和阳辉为共同第一作者，湖南科技大学谭丛兵副教授和中山大学陈伟津教授分别为该工作提供了实验和理论方面的支持。该工作在团队发展的高时空分辨原位透射电镜表征系统上完成，前期研究成果发表在国际知名期刊《Nano Letters》上(Nano Lett. 2024, 24, 24:7424-7431)，已申请中国国家发明专利2项(公开号：CN116678903A、CN118569328A)。研究工作得到了国家自然科学基金、广东省磁电物性分析与器件重点实验室、广东省磁电物性基础学科研究中心和中山大学分析测试中心的大力支持。原文链接： https://doi.org/10.1021/acsnano.5c00289