npj: 普通铁弹材料—如何绣出多铁性-导电性畴壁之花？

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铁电和铁弹性化合物的结构畴壁是人们探寻新型功能纳米材料中的一种引人注目的结构。这些畴壁可以以非常密集且排列有序的阵列（可在适当的基底上生长薄膜来制备）占据样品的很大部分；可以用越来越精确和灵活的方式进行操纵，从而有望被动态控制。畴壁的性质通常与畴本身的性质不同，比如具有更大的导电性等。因此，结构性畴壁可能为新颖、可实现的功能纳米材料的设计打开大门。材料界有句格言：“畴壁就是器件”。基于这一格言，铁氧体（尤其是ABO₃钙钛矿氧化物和相关化合物）领域已成为新材料探索的重要关注点。问题是如何在普通铁弹性材料上创建多铁性和导电性畴壁？

来自卢森堡科学技术学院材料研究与技术部（LIST）的Hong Jian Zhao 和 Jorge Íñiguez教授，基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理方法，揭示了由不同掺杂剂引起的一些有关畴壁功能的规律，用于指导畴壁的设计。如，3d掺杂剂倾向于提供绝缘溶体，而4d和5d元素会产生导电壁。同样，他们观察到较小的原子（Ti、V、Cr）会在畴壁处产生正常的铁电有序；相反，较大的畴壁则驻留在更对称的构型中，因此相应的（铁弹性）畴壁不太可能出现极性。他们的研究结果为此类材料设计策略提供了充足的支持，预测了多种掺杂剂的长距离取代的自发出现。此外，他们确定了具有所需各种重要特性（包括电导率和磁电多铁性）畴壁的具体策略，包括使用化学掺杂方法在普通铁弹性材料的畴壁上创建功能界面。

该文近期发表于npj Computational Materials 5: 92 (2019)，英文标题与摘要如下，点击左下角“阅读原文”可以自由获取论文PDF。

Creating multiferroic and conductive domain walls in common ferroelastic compounds 

Hong Jian Zhao & Jorge Íñiguez 

Domain walls in ferroelectrics and ferroelastics often present peculiar functional properties, offering an intriguing route toward the design of nano-devices. Here we use first-principles simulations to illustrate an approach for engineering such walls, working with representative ferroelastic perovskites LaGaO₃ and CaTiO₃  (insulating, non-magnetic, non-polar). We show that a wide range of substitutional dopants can be used to create long-range-ordered structures confined within the walls of these compounds, yielding functional interfaces with tailor-made properties. We thus identify clear-cut strategies to produce metallic walls within an insulating matrix. Further, we find ways to create magnetic walls that also display ferroelectric order (proper or improper), thus providing an original route to obtain magnetoelectric multiferroics. Given the recent developments on the preparation of high-density domain structures in perovskite films, our results suggest a definite path toward new functional nano-materials.

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