科研进展 | 铁电氧化物薄膜中位错力电耦合调控：可控形核和逃逸及棘轮式滑移
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
