近日，校区材料学院、材料基因与大数据研究院、柔性电子中心陈祖煌教授与校本部土木学院路晓艳博士和加州大学伯克利分校Lane Martin教授合作，在铁电PbTiO3外延薄膜中观察到“多米诺骨牌”式大面积铁弹翻转，研究结果于9月2日在Nature 子刊Nature Communications在线发表。论文题目为“Mechanical force-induced, non-local, and collective ferroelastic switching in epitaxial lead titanate thin films”。

    铁电材料在信息存储、能源转换和传感驱动等领域具有广泛的应用，属于国家重点发展的战略性先进电子材料。铁电材料中畴结构及其翻转行为对其铁电、压电和介电性能起着决定性的作用，因此对畴结构的研究和调控就显得尤为重要。其中，铁弹畴翻转伴随着大的应变及物理突变效应，降低铁弹畴的极化反转能垒及可控翻转对开发低功耗存储器、高灵敏度传感和驱动器等电子器件具有重要价值。然而，铁电外延薄膜因受衬底应变夹持作用，铁弹畴翻转过程被强烈抑制，使得由外场驱动的非易失性的铁弹应变在集成的薄膜器件中难以实现。

    针对铁电薄膜中铁弹翻转被限制的瓶颈问题，路晓艳博士与陈祖煌教授利用脉冲激光沉积外延生长高质量PbTiO3外延薄膜，通过设计衬底应变、调控畴结构共存状态，在薄膜中实现a/c、a1/a2畴结构在纳米尺度多畴共存和协同翻转效应。研究结果发现， 仅600纳牛的四个点力即可驱动薄膜中铁弹畴发生大面积、非局域翻转（图1），并实现了单一面外电场即可驱动铁电极化从面外向面内翻转的多物理状态可重复调控（图2）。进一步结合相场计算，揭示了大面积、非局域铁弹翻转的动态衍变过程和相关物理机制。

图1  铁电薄膜中的力致非局域、大面积弹性畴翻转

图2  铁电薄膜中的面外电压对极化翻转的分阶调控

    该工作首次在铁电外延薄膜中观察到的“多米诺骨牌”式大面积、非局域铁弹畴翻转，对开发低功耗、多态存储器件以及高灵敏度微纳力传感器和压电驱动器具有重要意义。

    我校为论文第一署名单位，陈祖煌教授、路晓艳博士以及加州大学伯克利分校Lane Martin教授为论文共同通讯作者。参与研究的还有校区材料学院刘兴军教授和谢国强教授，以及德克萨斯大学阿灵顿分校、劳伦斯伯克利国家实验室、阿贡国家实验室、宾州州立大学、华盛顿大学、南洋理工大学和南方科技大学等学者。论文链接: https://www.nature.com/articles/s41467-019-11825-2。

    陈祖煌教授一直从事铁电/多铁等功能氧化物薄膜研究，致力其在低功耗信息存储、能源转换和传感驱动等领域的应用。入职校区后，以第一/通讯作者在Nature Communications（2篇）、Applied Physics Letters和ACS Applied Materials & Interfaces期刊上发表4篇科研论文；另外以合作作者在Nature Nanotechnology, Nature Communications（2篇）, Science Advances（2篇）, Physical Review Letters，Advanced Functional Materials, ACS Nano等期刊发表多篇论文。这些研究工作得到国家自然基金和校区科研启动经费支持。