Nano Res.[探测]│成均馆大学Yunseok Kim团队：基于压电力显微镜的反铁电/亚铁电材料的机电响应和相共存行为表征

背景介绍

反铁电（Antiferroelectric，AFE）材料具有反平行排列的电荷偶极子和剩余极化为零的双电滞回线的特征，在高能量存储电容器、光伏设备等众多能源相关领域受到了广泛关注。最近，在一些新型二维材料和萤石结构材料（HfO₂和ZrO₂）中也发现了反铁电行为，预示着其更大的应用前景。此外，除了反铁电和常见的铁电（ferroelectric，FE）性质，在某些材料中还发现了介于两者之间的亚铁电（ferrielectric，FiE）行为，具体表现为剩余极化不为零的双电滞回线。反铁电材料中的亚铁电行为通常与局部的非公度调制结构的出现相关，同时宏观尺度亚铁电特征的出现往往与整体范围失衡的反偶极子结构相关，如铁电与反铁电相在不同方向、深度和区域的共存等等。然而宏观的测试方法只能得到材料整体的性质，难以进一步研究和分析微观区域的分布和性质。考虑到压电力探针显微镜（piezoresponse force microscopy，PFM）在纳米铁电材料研究中广泛的应用，和铁电、反铁电和亚铁电材料之间的密切关系， PFM可以对反铁电和亚铁电材料进行纳米和微米尺度的研究。

成果简介

在局部机电响应和极化翻转的研究中PFM发挥着不可替代的作用，其可用于表征局部的极化翻转和机电响应的空间分布特征。虽然PFM广泛应用于铁电材料，然而其很少用于研究反铁电材料中的亚铁电行为。本文制备了宏观表现为亚铁电特征的锆酸铅（PbZrO₃，PZO）薄膜，并用PFM研究了其中亚铁电和反铁电两相的机电响应和分布特征。结果表明，亚铁电相在低电压时表现出与铁电材料类似的PFM响应，但在高电压下表现出独特的on-field振幅响应。此外，反铁电区域则仅在高电压（超过反铁电-铁电相变临界电压）下出现PFM信号。我们用相场模拟研究了与实验结果相关的反铁电和亚铁电相共存的特征及其相变过程。总之，我们的研究表明PFM是表征反铁电/亚铁电材料的机电响应和相共存行为的一种行之有效的技术，可以为相关材料的改性和应用研究中发挥指导作用。

图文导读

图1 PbZrO₃薄膜的结构与室温下的电场诱导相变行为

图2 可切换压电响应的图像（30 × 30 μm²）与不同区域压电响应幅度回线

图3 不同区域On-field压电响应的幅度回线与正相变电压的分布图

图4 压电响应的幅度和相位图与局域电场极化响应行为

图5 相场模拟畴结构演变与电滞回线

作者简介

卓芳平，博士，洪堡学者。2018年于清华大学化学系获得博士学位，师从李强教授。2019-2020年在韩国科学技术院开展博士后研究，合作导师Chan-Ho Yang教授。2020-2022年在德国达姆施塔特工业大学从事博士后研究，合作导师Jürgen Rödel教授。目前的研究兴趣主要包括位错调控铁电体的功能性和压电力显微镜技术，在Science, Nature Communications, Acta Mater., Phys. Rev. B, Appl. Phys. Lett., Nano Research等发表学术论文40余篇。

Yunseok Kim，韩国成均馆大学（SKKU）材料科学与工程学院副教授，洪堡学者。曾在韩国科学技术院、德国马克斯普朗克微结构物理研究所和美国橡树岭国家实验室从事博士后研究工作。主要兴趣包括纳米尺度的机电、铁电、输运和离子现象的扫描探针显微镜研究。在Science, Adv. Mater., Rep. Prog. Phys., Mater. Sci. Eng. R Rep., Nano Research等期刊发表170余篇论文。

Kim教授团队目前正在招聘博士后从事基于HfO2的铁电体的原子力显微镜和/或机器学习方面的研究，诚邀有志科研博士，具有在铁电体或压电体方面的背景者优先考虑。如果您符合条件，可以与Kim教授一起申请 Brain Pool计划。课题组主页：

https://sites.google.com/view/yunseokkim/home

文章信息

H. Qiao, F. Zhuo, Z. Liu, et al. Local probing of the non-uniform distribution of ferrielectric and antiferroelectric phases. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4908-z.

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