应变条件下四方铁电体中90度铁电畴壁结构演化的像差校正电子显微学研究

The properties of ferroelectric materials are determined by field-dependent domain wall dynamics. However, the structures and properties of 90 degree domain walls in tetragonal ferroelectrics, like PbTiO3, are still unclear. Revealing the atomic structures, strain widths and their response to local strains is essential to understanding/modulating polar and piezoelectric properties of ferroelectric materials. In this project, we will investigate the fine structures of 90 degree domain walls at the atomic scale as well as their evolutions under strains by using a combination of aberration-corrected transmission electron microscopy and first-principles calculations. The configurations of 90 degree domain walls are controlled in PbTiO3 films prepared under series of strains by PLD technique. The strains and polar ion displacements of domain walls and nearby unit-cells will be precisely determined through measuring the positions of Pb, Ti columns in images under aberration-correction condition. Combined with first-principles calculations, the domain wall energy, energy barrier for the movement of domain wall, strain widths and polarization distribution as well as their evolutions under location strains will be quantitatively elucidated. The studies in this project would help to systemically understand atomic structures of 90 degree domain walls in tetragonal ferroelectrics, and provide fundamental information for the exploration of numerous novel domain wall phenomena in ferroelectrics.

铁电畴壁及其外场动力学特性决定了铁电材料的使役行为，但PbTiO3等四方铁电体中90度畴壁结构及其物理特性的研究历来具有分歧；研究90度铁电畴壁的原子结构、应变宽度及其对局域弹性应变的响应等物理参量对理解和调控铁电材料的极化及压电性能至关重要。本项目拟利用衬底应变调控系列PbTiO3薄膜中90度铁电畴的结构组态；结合像差校正电子显微技术与第一原理计算，在原子尺度揭示90度畴壁的精细结构及其随局域应变的演化规律。拟通过精确测定像差校正条件下高分辨像中Pb、Ti等离子坐标，准确提取不同应变状态下90度畴壁及其附近晶格的应变分布与极化离子位移信息，结合第一原理模拟，定量描述90度畴壁的畴壁能与运动势垒、应变宽度和极化特征与局域弹性应变之间的关系及其演化特征。项目的完成不但有助于系统性认识四方铁电体中90度铁电畴壁的原子结构特征，而且为深入理解铁电畴壁的使役行为提供重要的原子尺度结构信息。

项目以在原子尺度认识和探索铁电材料畴壁新结构和新功能诱导效应为背景，以强铁电体PbTiO3和BiFeO3为主要研究对象，结合像差校正电子显微学和精密薄膜沉积技术，在项目执行期间，我们取得多项重要研究成果：1）发现了PbZr0.52Ti0.48O3/PbTiO3超晶格中特殊的四重应变状态及巨大诱导铁电极化增强效应，为铁电极化调控增添了一种新的方法（Ultramicroscopy 2018）。2）调控位错排布构筑具有巨大线性应变梯度的LaAlO3/BiFeO3功能纳米结构，这种巨大的线性应变梯度通过挠曲电效应产生了数兆伏/m的内建电场（与传统半导体p-n结或肖特基结的内电场相当），同时也大幅度拓宽了BiFeO3纳米结构的可见光吸收范围。该项研究提供了如何利用位错的特性构筑具有连续带隙变化的梯度功能材料的概念、原理及方法。同时，该结果也是钙钛矿异质界面体系应变弛豫机制研究的新里程（Nature Communications 2017）。3）发现了一种新型对称全闭合铁电畴结构，并进一步实现了铁电多层膜中大规模二维极化通量全闭合阵列的可控制备，该项工作进一步完善了通过失配应变调制铁电材料畴结构和物理特性的重要性和有效性（J. Mater. Res 2017）。4）在BiFeO3中菱方-正交准同型相界构成的涡旋极化阵列（ACS nano 2018(1)）、在超薄PbTiO3中界面氧八面体调控的极化旋转机制（ACS nano 2018(2)）等方面研究也获得多项进展。项目执行期间在包括Nature Communications、Ultramicroscopy、Advanced Materials、Nano Letters、ACS Nano 等国际知名学术期刊上发表学术论文10余篇。