2020年6月7日，習(xí)近平總書記致信祝賀哈工大建校100周年，為學(xué)校新百年發(fā)展指明了前進(jìn)方向，提供了根本遵循。在收到習(xí)近平總書記賀信五周年之際，深圳校區(qū)官微陸續(xù)推出“這五年”欄目，展現(xiàn)校區(qū)五年來的發(fā)展成就，以及校區(qū)師生奮發(fā)作為、追求卓越的生動實踐。今天，來看校區(qū)科研團(tuán)隊為反鐵電薄膜器件設(shè)計以及高性能數(shù)字型電致應(yīng)變器件開發(fā)提供全新理論框架與技術(shù)路徑的報道——

近日，哈工大深圳校區(qū)前沿學(xué)部材料科學(xué)與工程學(xué)院陳祖煌教授團(tuán)隊聯(lián)合蘇州大學(xué)、新加坡科技研究局等單位，通過取向調(diào)控在（111）取向的鋯酸鉛（PbZrO3）外延薄膜中獲得了優(yōu)異的反鐵電性能及數(shù)字型電致應(yīng)變響應(yīng)。研究成果以《鋯酸鉛（PbZrO3）外延薄膜中的理想反鐵電性與高數(shù)字型電致應(yīng)變》（Ideal antiferroelectricity with large digital electrostrain in PbZrO3 epitaxial thin films）為題發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications）上，揭示了各向異性反鐵電-鐵電相變機(jī)制，攻克了反鐵電薄膜一直存在的剩余極化高、相變路徑復(fù)雜等難題。該工作為反鐵電薄膜器件設(shè)計以及高性能數(shù)字型電致應(yīng)變器件的開發(fā)提供了全新理論框架與技術(shù)路徑。

反鐵電材料在薄膜形態(tài)下常常被鐵性序競爭所束縛，鐵電/亞鐵電/反鐵電相共存導(dǎo)致扭曲的電滯回線和較大的剩余極化，嚴(yán)重阻礙了反鐵電薄膜在現(xiàn)代納米電子系統(tǒng)中的應(yīng)用。在以往的研究中，人們通常認(rèn)為反鐵電薄膜中的亞鐵電相難以避免，甚至有些觀點認(rèn)為亞鐵電結(jié)構(gòu)才是鋯酸鉛（PbZrO3）的本征結(jié)構(gòu)，這對反鐵電鋯酸鉛（PbZrO3）材料的認(rèn)知和應(yīng)用探究帶來極大的挑戰(zhàn)。迄今為止，關(guān)于反鐵電原型材料鋯酸鉛（PbZrO3）從基本結(jié)構(gòu)到對應(yīng)電學(xué)性能，以及電場誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)相變行為機(jī)制依然缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識，限制了其在基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用中的探索。

針對上述問題，團(tuán)隊通過第一性原理計算揭示了反鐵電鋯酸鉛（PbZrO3）的各向異性機(jī)制，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)外加電場方向與極化矢量平行時，其相變路徑最簡、能量壁壘最低。基于反鐵電薄膜的原子級設(shè)計，沿[111]方向施加電場時，材料通過“一步式”直接切換反鐵電-鐵電相變，避免了中間態(tài)干擾。通過取向調(diào)控高質(zhì)量薄膜外延生長，實現(xiàn)了電場驅(qū)動下一步完成反鐵電-鐵電相變，顯著提升響應(yīng)速度與穩(wěn)定性，獲得了反鐵電薄膜標(biāo)準(zhǔn)的方形雙電滯回線，飽和極化達(dá)60微庫侖每平方厘米（μC/cm2），剩余極化接近零，經(jīng)千億次（101?）循環(huán)后性能無衰減，顛覆性提高了材料的疲勞極限。

該高質(zhì)量反鐵電薄膜首次實現(xiàn)了0.83%雙極性數(shù)字型電致應(yīng)變，響應(yīng)時間僅為75納秒，且具備頻率不敏感特性，這為高精度微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）提供核心材料支持。研究還結(jié)合原位同步輻射X射線衍射，解析了電場誘導(dǎo)下鐵電相的晶體結(jié)構(gòu)，揭示了數(shù)字型應(yīng)變的結(jié)構(gòu)起源。團(tuán)隊通過理論和實驗的相互驗證，深化了對反鐵電材料本征行為的理解，更為設(shè)計高性能數(shù)字機(jī)電系統(tǒng)提供了理論依據(jù)和新的研發(fā)思路。

鋯酸鉛（PbZrO3）反鐵電-鐵電相變的原子模型

(111)取向鋯酸鉛（PbZrO3）薄膜的電學(xué)特性

反鐵電-鐵電相變過程中的機(jī)電響應(yīng)

哈工大深圳校區(qū)為論文第一完成單位。深圳校區(qū)司洋洋博士、蘇州大學(xué)博士研究生范寧波、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)董永齊副研究員、新加坡科技研究局博士研究生葉振為論文共同第一作者。深圳校區(qū)陳祖煌教授、蘇州大學(xué)許彬教授和新加坡科技研究局劉華俊研究員為論文共同通訊作者。北京科技大學(xué)鄧世清教授和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)羅震林教授、印度科學(xué)學(xué)院蘇吉（Sujit Das）教授和美國阿肯色大學(xué)洛朗（Laurent Bellaiche）教授等參與相關(guān)研究工作。該研究工作獲得了國家自然科學(xué)基金面上項目和深圳市科技創(chuàng)新項目的支持。