[成果]物理系张金星教授小组发文阐述完全无束缚的铁弹性翻转行为

　　近日，北京师范大学物理系张金星教授小组与比利时安特卫普大学、 清华大学以及美国宾州州立大学等研究机构合作，在层状钙钛矿氧化物薄膜中，首次发现并系统探讨了完全无束缚的铁弹性翻转行为，并以“Ferroelastic Switching In a Layered-perovskite Thin Film”为题，发表于 2 月 3 日刊出的《Nature Communications》。张金星教授指导的博士生王传寿为论文的第一作者，博士生王静和硕士生田瑜为文章的合作作者。

　　在铁性材料（铁电、铁磁或铁弹）的单晶和薄膜体系中，由外场驱动的非易失弹性应变可以在微观尺度上为晶格自由度与其他序参量（电荷、自旋及轨道等）之间的耦合提供一个有效的途径。这为未来的传感、驱动、信息存储和磁电耦合等电子器件的低能耗控制提供更广阔的平台，具有广泛的应用价值。然而，在传统铁电薄膜体系中（通常为四方相或者菱形相结构），由于衬底对薄膜的应力束缚，伴随的铁弹性畴翻转动力学过程被强烈抑制，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。这就促使人们探索新的铁电薄膜体系，期待弹性翻转过程中不受衬底束缚。

　　张金星教授与其指导的博士生王传寿利用激光分子束外延技术，生长出具有正交对称性晶体结构的层状钙钛矿铁电体（Bi2WO6的薄膜）。与传统铁电材料不同，其极化完全在薄膜平面内，没有任何面外极化分量，这使得铁电极化在铁弹性翻转过程中（图1），所需克服的能量势垒比传统面外极化的铁电薄膜降低100倍，从而能够很好地实现由电场可控驱动的非易失性弹性应变（～0.4%）（图2）。应变值甚至可以与传统商用铁电块状晶体（如PZT，PMN-PT等）中的弹性应变（0.05%～0.6%）相媲美。更重要的是，在薄膜材料中，这一极化自由翻转行为可以由扫描探针来实现纳米尺度可逆调控，使得极化翻转驱动的弹性体可以像纳米马达一样在面内自由旋转，增大了铁电畴工程调控的自由度和研究空间，为未来的低能耗薄膜电子和磁电子器件的耦合与集成提供了可能。 
 

      图1.（a）由电场驱动的铁电极化弹性翻转的示意图，红、蓝和青色箭头分别表示沿着面内四个不同方向的铁电极化。（b-f）极化的非易失性铁弹90⁰翻转过程。



    　图2.（a）原子级高分辨的透射电镜和电子衍射显示在铁弹畴壁两侧的晶体结构（b）线扫描显示铁弹畴壁两侧存在着～0.4%的自发弹性应变。

　　此项工作主要受到国家自然基金委优秀青年基金（51322207）、重点基金（51332001）、 面上基金（11274045）、以及国家基础研究计划（2014CB920902）等项目支持，张金星教授特别感谢中组部青年千人计划启动经费资助。

　　文章的链接： http://www.nature.com/ncomms/2016/160203/ncomms10636/full/ncomms10636.html