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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、压电和介电性能至关重要，对畴结构的研究和调控已成为当前国际研究的热点。其中，铁弹畴翻转伴随大应变及物理突变效应，降低铁弹畴的极化反转能垒及翻转可控性，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。
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， 近日，哈工大路晓艳博士、陈祖煌教授和美国多个高校和研究机构合作，通过设计衬底应变、调控畴结构共存状态，实现两种畴结构的纳米尺度共存和协同翻转效应，首次在铁电外延薄膜中观察到“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。
做铁电压电的小伙伴往往一提畴就愁。然而，完美的外延铁电薄膜，往往可以让人领会细微处的美。而经过合理的设计，畴可以千变万化。众所周知，铁电体在相图中的边界附近，相结构或畴结构往往共存，由于各相自由能接近，极化各向异性能较小，畴一般都很小。
多相共存犹如春秋战国时期百余诸侯国的争霸，多方割据，暗流汹涌。虽战乱纷争，却带来百家争鸣。争，乃兴之始，势均力敌才有此消彼长的更迭。
共存、竞争与平衡，处处存在。小小铁电一隅，也让我们能体会一沙一世界，一花一天堂的美丽。图2: 钛酸铅薄膜的透射显微镜表征(TEM)中近乎完美的条纹畴结构
然而，处于共存区的材料，往往因多相共存和纳米畴的存在，使得分析更为困难。很多情况下，也难以获得常规材料中所呈现的完美对称结构。没有相貌堂堂或貌美如花，是难登名刊大雅之堂，被扔在角落一般是其宿命。然而细心之处，往往也会给人惊喜。
力有时是个很玄乎的东西，牵一发而动全身，全在于结构或者材料的设计。通过设计衬底应变、调控畴结构共存状态，仅600纳牛的探针力可驱动大面积畴翻转。
一般，铁电薄膜中的畴结构往往被衬底晶格夹持，或傲人挺立或懒散躺着，顺应环境，过着一种波澜不惊的人生。然而，在一些状态下，即便远处小小的触动，也使得周遭变得喧哗起来。被点触的畴率先华丽转动，由于周围的畴结构也具有较浅的能量势垒，在合适的外界激励下，也主动地顺势而变，让自己从面内优势转为更大的面外优势。遗憾的是，由于能量分配有限，这种波及范围即使大到两微米，也仅仅如此而已。两微米开外的畴只能原地踏步，望尘莫及、望洋兴叹。圈里圈外，一线之隔，不禁令人唏嘘。
图4： 鸟瞰探针力作用下（圆圈处）导致的大面积铁电畴翻转
真实的界限往往并非那么清晰，箭在弦上，自然有丢不掉的幸运。这种状态下的畴结构自带灵活易动属性，放在哪都发光。当我们施加单一的面外电场，可实现铁电极化从面外向面内翻转的多物理状态调控。灵活，使其拥有更多标签，也带来更广阔的设计应用场景。
文中还详细讨论了此类铁电薄膜设计的关键因素，并通过相场模拟解释了铁电畴在外力作用下畴结构翻转行为和能量变化情况。论文及详细补充材料请点击左下角“阅读原文”查看。哈尔滨工业大学为论文第一署名单位，哈工大路晓艳副教授为论文第一作者，并与陈祖煌教授以及加州大学伯克利分校Lane Martin教授为论文共同通讯作者。参与研究的还有德克萨斯大学阿灵顿分校、阿贡国家实验室、劳伦斯国家实验室、宾夕法尼亚州立大学、南洋理工大学、浙江工业大学、华盛顿大学、南方科技大学的学者。该论文研究受到国家自然科学基金、国家重点研发计划等多项基金的资助。
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