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鲁东大学、武汉理工大学、香港城市大学团队及合作者NC | 基于可控自组装的位错工程调控非连续柱状晶Bi(Fe,Mn)O3薄膜的铁电极化均匀性

2026-08-29 20:19:57

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研究背景

铁电材料的性能从根本上取决于其微观结构。材料内部普遍存在的各类缺陷，从零维点缺陷到二维界面，均会显著影响其铁电性能。传统研究中，缺陷往往被视为有害结构，既往研究主要通过降低缺陷密度来提升材料性能。然而，近年来研究表明，缺陷的空间构型与其密度对铁电性能的调控具有同等重要的作用：缺陷不再仅仅是需要抑制的“瑕疵”，还有可能经精确设计而成为主动调控铁电性能的关键结构单元。低密度、随机分布的缺陷虽可抑制局部应变波动、促进畴结构有序排列，但往往导致畴翻转能垒升高、矫顽场增大；而高密度随机缺陷虽有助于应变传递、降低畴壁运动势垒，却容易引入无序应变场，诱发极化涡旋，降低剩余极化强度并加速性能老化。因此，研究者对于缺陷构型工程十分重视。通过协同调控缺陷的排布、密度及局域应变场，实现铁电材料在矫顽场、剩余极化及抗老化等关键性能上的综合优化，能够为发展高性能、高稳定性的铁电存储器奠定基础。

针对上述挑战，鲁东大学物理光电工程学院马晓光教授团队联合武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室孙华君教授团队与香港城市大学张树君教授团队，提出了一种基于可控自组装的新型位错工程策略，突破单纯降低缺陷密度在Bi(Fe,Mn)O₃（BFMO）薄膜铁电极化调控中面临的局限。

与以往采用SrTiO₃（STO）等单晶衬底降低位错密度的研究不同，本研究创新性地选用面心立方（FCC）结构的Ni-Cr基底，主动引入其与菱方相（R3c）BFMO薄膜之间的晶格与热膨胀失配，从而在薄膜中构建高密度位错环境，为调控位错构型及探究位错-铁电极化相互作用机理提供了理想体系。进一步地，利用常见的LaNiO₃（LNO）缓冲层，将BFMO与Ni-Cr之间的晶格失配从~3.8%降至~1.0%，促进了不连续柱状晶结构的形成，该结构引导刃型位错沿晶界进行拓扑保护型自组装，形成高度有序的微观结构。这种相对有序的结构不仅促进了应变的均匀分布和FeO₆八面体协同倾转，还降低了畴翻转能垒，增强了铁电极化均匀性，实现了更均匀的畴钉扎效应，并增强了薄膜的抗老化特性。

论文摘要

缺陷微结构（尤其是位错）是决定铁电薄膜特性的关键因素之一。既往研究主要聚焦于位错密度的表征与降低，而对于其空间构型的决定性影响及调控手段则被相对忽视。本研究在Ni-Cr基底上制备Bi(Fe,Mn)O₃（BFMO）薄膜，设计了一种可控位错自组装策略：通过引入常见的LaNiO₃（LNO）缓冲层诱导薄膜形成非连续柱状晶结构，成功实现了刃型位错沿晶界的拓扑保护型自组装。该有序微结构促使应变场分布均匀化，提升了FeO₆八面体倾转的协同性，不仅降低了畴翻转能垒，同时形成了更均匀的畴钉扎效应，显著改善了铁电极化分布的均匀性与抗老化特性。本研究成果为通过位错空间构型设计调控铁电性能的缺陷工程范式提供了重要理论基础。相关研究成果以“Tailoring polarization homogeneity in discontinuous-columnar Bi(Fe,Mn)O3 thin films via dislocation engineering with controlled self-assembly”为题发表在Nature Communications期刊上。鲁东大学隋慧婷副教授为第一作者；鲁东大学马晓光教授、武汉理工大学孙华君教授与香港城市大学张树君教授为论文通讯作者；合作者还包括鲁东大学娄文华博士、衡阳师范学院肖世兵博士、武汉理工大学吴福灵博士与鲁东大学刘莹副教授。研究工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金及山东省自然科学基金等项目资助。

主要研究内容

图1. 刃型位错对二维BFMO[100]方向铁电极化的影响。a-b：不同外加电场下无/有位错-畴壁相互作用的相场模拟结果；c-d：刃型位错对于极化的原子尺度影响，其中(c1)为具有共格堆叠BFMO层的理想结构，(c2)为模拟刃型位错的滑移位错结构，其中上层（→）与下层（←）BFMO层分别呈现反向面内位移（滑移距离为2.645 Å），在界面处（黑色虚线标示）形成与图b中以“T”标记刃型位错核心类似的失配结构；d：理想结构与滑移位错结构的静电势计算结果。

图2. 随机分布刃型位错对BFMO[100]方向畴结构、铁电极化及局域应变分布的影响。a-b：无位错与含随机分布位错样品的畴结构的相场模拟结果，其中位错导致畴壁展宽与隆起现象；c：基于相场模拟结果的P-E曲线；d：无位错BFMO的ε_xx(d1)与ε_yy(d2)应变分布，以及含随机分布位错BFMO的ε_xx(d3)与ε_yy(d4)应变分布；e：刃型位错-铁电畴壁相互作用下的应变起源（ε_xx, ε_yy）原子尺度示意图，其中(e1)与(e2)分别对应(d1)-(d2)和(d3)-(d4)的应变状态。

图3. BFMO薄膜结构示意图与应力分布分析。a：Au/BFMO/Ni-Cr结构；b：Au/BFMO/LNO/ Ni-Cr结构；c：基于Winkler基底（Ni-Cr、LNO/Ni-Cr）的Euler-Bernoulli悬臂梁结构示意图，其中N为轴向力（薄膜与基底间的相互作用力），M为对应扭矩，h与H分别为薄膜与基底厚度，ω(x)为薄膜挠度；d-f：应力/挠度随薄膜区域/厚度变化关系。

图4. BFMO薄膜的微观结构表征。a-b：Ni-Cr、LNO/Ni-Cr基底上BFMO的明场TEM图像，其中黄色实线方框标注随机选取的小晶粒；c：LNO/Ni-Cr基底上BFMO的暗场TEM图像，白色虚线标示非连续柱状晶，橙色实线圆标注晶界附近区域，插图显示区域(c1)的选区电子衍射图谱，其中蓝圈与红圈分别标示两套布拉维晶格；d-f：区域(a1)、(c1)与(c2)的高分辨TEM图像；g-i：对应于图d、e及f中白色虚线框的IFFT图像（色标：应变变化幅度与从白色到绿色的色彩深度呈比例关系），其中红色虚线标示晶界位置；j-k：对应于图g、h的FFT图像（左上）及不同晶面的GPA结果（其余三幅）。

图5. BFMO薄膜的极化分析（对应图4 (a1)、(c1)）。a、d：Ni-Cr、LNO/Ni-Cr上BFMO的自发极化矢量结果；c、f：对应a、d的极化角度分布；g：Ni-Cr、LNO/Ni-Cr上BFMO在10 kHz、室温下的P-E回线；h-i：老化处理前后Ni-Cr、LNO/Ni-Cr上BFMO在10 kHz、不同温度（室温、60°C、120°C及180°C）的P-E曲线。

团队介绍

隋慧婷，鲁东大学物理与光电工程学院副教授。武汉理工大学博士，师从孙华君教授。研究方向为新型功能材料与器件，以第一作者发表多篇学术论文，包括NatCommun、J Power Sources、Appl Surf Sci、J Eur Ceram、J Alloy Compd等期刊。

马晓光，鲁东大学教授，博士生导师，现任鲁东大学物理与光电工程学院院长，山东省高等学校新能源高效转化与储存材料设计重点实验室主任，鲁东大学碳中和创新研究中心负责人。长期从事大气压放电等离子体协同催化CO₂能源资源转化、催化剂制备、新型清洁能源材料的设计与制备、电子与原子分子的碰撞及光致电离过程研究及表界面分子吸附机理及分子激发态动力学和等离子体-催化剂-反应物协同机制与调控策略研究。在所研究领域的国内外重要刊物上发表学术论文300多篇，主持国家自然科学基金面上项目2项、国家自然科学基金专项项目2项。获得山东省自然科学二等奖3项，高等学校优秀科研成果一等奖2项，二等奖2项，三等奖5项。

孙华君，武汉理工大学教授，博士生导师，现任武汉理工大学科技合作与成果转化中心主任。美国宾夕法尼亚州立大学国家公派访问学者；中国建材工业经济研究会低碳材料分会副会长、非金属矿物资源高效利用专业委员会副主任委员、中国仪器仪表学会仪表功能材料分会电子元器件关键材料与技术专业委员会首届常务委员会资深常务委员、中国硅酸盐学会青年委员会副秘书长、全国工业陶瓷标准化技术委员会委员、中国电子材料与元器件产学研协同创新平台理事。长期从事介电压电铁电材料、功能超细粉体、赤泥等固废综合高值利用以及3D打印陶瓷材料的研究与制备等相关方面研究。曾获2023年中国建筑材料联合会基础研究奖二等奖（第一位）；主持（或子课题负责人）国家级科研项目6项，其中国家自然科学面上项目3项，国家重点研发计划项目（子课题）1项，国家自然科学基金联合基金重点项目1项，国家自然科学青年基金项目1项，在研和已验收完成军品和民口配套项目10余项。在J. Colloid Interface Sci., Small Methods, ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊发表论文200余篇。

张树君，现任香港城市大学讲座教授、澳大利亚伍伦贡大学杰出教授；此前曾任美国宾夕法尼亚州立大学资深科学家及教授。他已发表/合作发表逾600篇技术论文（谷歌学术统计显示被引57,000次，H指数112），成果刊载于《科学》《自然》《自然·材料》及多家学会旗舰期刊，并在介电与压电材料领域持有12项美国授权专利。自2021年起，他连续入选科睿唯安"交叉领域"或"材料科学"领域全球高被引科学家。其荣获多项学会荣誉包括：世界陶瓷科学院院士（2023）、IEEE超声、铁电与频率控制学会会士（2021）、美国陶瓷学会会士（2019）、美国陶瓷学会罗斯·科芬·珀迪奖（2020）、澳大利亚陶瓷工程领域顶级研究者（2019, 2021-2023）、新南威尔士州长科学与工程奖（2021）、IEEE UFFC铁电青年研究者奖（2011）与铁电成就奖（2021），以及伍伦贡大学年度校长研究卓越奖（2022）。他曾当选IEEE UFFC行政委员会委员（2016-2018）并担任铁电学副会长（2021-2023），已培养包括国际交换生在内的30余名博士毕业生。现任《微结构》创刊主编、《晶体》（多晶陶瓷板块）主编，兼任《美国陶瓷学会会刊》《IEEE超声、铁电与频率控制会刊》及《科学通报》副主编。长期担任电子材料与应用会议（美国陶瓷学会，2015-2025）专题研讨会组织者，以及2021年悉尼ISAF-ISIF-PFM联合会议共同主席。作为首席研究员或核心专家主持科研项目总经费超千万美元，并在铁电与电子陶瓷领域受邀于国际会议、产业界及学术界作170场特邀/主题/大会报告。

文章信息

https://www.nature.com/articles/s41467-026-68406-3

内容提供 / 隋慧婷

网络编辑 / 杨柳

责任编辑 / 李明

终审 / 魏晓勇

END

Journal of Advanced Dielectrics

《先进电介质学报（英文）》

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期刊简介

JAD是由姚熹院士、叶作光院士担任主编的英文学术期刊，2011年创刊，由西安交通大学国际电介质研究中心（ICDR）和新加坡世界科技出版集团（WSPC）共同创办。它以电介质研究为特色，涵盖电介质基础研究、压电、铁电、薄/厚膜、多铁性材料、工程电介质等研究领域，旨在为国际上从事电介质学术研究的学者提供一个集中展示交流最新研究成果的平台，促进学术界对电介质理论及应用研究不断深入。目前JAD为双月刊，被ESCI、EI、Scopus、DOAJ、CA、CrossRef、Google Scholar、CSCD、CNKI、WanFang Data等多种检索数据库收录。