中國科學院金屬研究所研究人員在鐵電材料中發現通量全閉合疇結構以及由順時針和逆時針閉合結構交替排列所構成的大尺度周期性陣列。4月16日，美國《科學》(Science)周刊率先通過Science Express在線發表了該項研究成果，并將在幾周后以Report形式正式發表。這項工作由金屬所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室固體原子像研究部研究員馬秀良、朱銀蓮和唐云龍等人組成的材料界面電子顯微學研究團隊與磁學及磁性材料研究部研究員張志東以及烏克蘭和美國的科學家合作完成。

鐵電材料與鐵磁材料具有極強的類比性，如類似的電（磁）滯回線、極化序參量以及疇結構組態等等。相比于鐵磁領域的研究和應用比較成熟的發展，鐵電材料的基礎和應用研究明顯滯后，反映出兩者物理本質上的不同。自1986年起，物理學家相繼預測在一定的條件下鐵電材料中可能出現通量全閉合結構，且理論上該結構可帶來超高密度的信息存儲功能。盡管通量全閉合結構在鐵磁材料中已獲普遍認識，但經過近三十年的探索，在鐵電材料中卻一直沒有得到實驗證實。其主要困難在于鐵電材料中通量全閉合結構必然導致巨大的晶格應變。如何突破鐵電極化與晶格應變的相互制約，實現極化反轉與晶格應變的有效調控，獲得有望用于超高密度信息存儲的結構單元，是當今鐵電材料領域面臨的一個重大基礎性科學難題。

金屬所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室的固體原子像界面結構研究團隊長期致力于材料基礎科學問題的電子顯微學研究，經過多年的學術積累并與國內外相關科學家合作，在解決上述重大科學難題方面取得突破。他們通過逆向思維設計，實施應變調控在鈧酸鹽襯底上制備出一系列超薄的PbTiO3鐵電薄膜；利用具有原子尺度分辨能力的像差校正電子顯微術，不僅發現通量全閉合疇結構及其新奇的原子構型圖譜，而且觀察到由順時針和逆時針閉合結構交替排列所構成的大尺度周期性陣列。在此基礎上，他們揭示了周期性閉合結構的形成規律，發現在一定的薄膜厚度范圍內由通量閉合結構構成的周期性陣列的周期大小與薄膜厚度之間成比值約為的線性關系；推導出閉合結構核心處超大的應變梯度(109/m)以及整個閉合結構中巨大的長程彈性應變梯度(106/m)；在Landau-Ginsburg-Devonshire理論框架下計算出閉合結構核心處目前最高量級彎電常數(10-10C-1m3)。

該項工作改變了之前探求通量閉合鐵電疇結構的研究思路，進一步完善了通過失配應變調制鐵電材料疇結構和物理特性的重要性和有效性，解決了鐵電領域疇壁組態方面數十年來懸而未決的重大基礎科學問題，為與鐵磁材料類比的結構特性增添了新的實質性內容。鐵電材料中通量全閉合結構以及核心處巨大彎電效應的發現將把鐵電薄膜器件的設計和研發推向一個新的高度，為探索基于鐵電材料的高密度信息存儲器提供了新途徑。同時，該項工作證實了巨大的彈性應變梯度可以通過多層膜的形式保存下來，實現相關物理性能的連續調控，為新型梯度功能材料的設計提供了新思路。

固體原子像研究部的王宇佳以及博士研究生王文淵、許耀斌等人也參與了這項工作。

美國《科學》周刊每周從近期被錄用的稿件中遴選出少量幾篇文章并將作者的最終修改稿通過Science Express平臺提前發布，以此在第一時間向讀者提供重大科技進展或政策觀點等最新資訊。這些工作將在4～6周后以在線和紙本形式同時正式發表在《科學》周刊上，通常是編輯推薦的最重要的文章。

該項研究得到國家自然科學基金以及科技部“973”計劃的資助。

圖1. SrTiO3(10nm)/PbTiO3(36nm)/SrTiO3(3nm)/PbTiO3(28nm)/GdScO3多層膜中PbTiO3鐵電層的周期性疇結構。(A)PbTiO3晶體結構示意圖；(B)[100] 方向的結構投影圖；(C)[100]方向攝取的高角環形暗場像(HAADF)展示離子位移的方向和大小；(D)多層結構的低倍高角環形暗場像；(E)基于顯微圖像的幾何相位分析，c疇的空間分布成正弦曲線特征。

圖2. 高分辨率原子序數Z襯度像。所有單胞中的離子位移矢量組合在一起構成具有順時針和逆時針特征的兩種通量全閉合結構。這兩種閉合結構在薄膜中交替排列構成大尺度的周期性陣列。(A)原始圖像；(B)極化矢量與原始圖像的疊加清晰展示全閉合回路的構成。

圖3. PbTiO3鐵電體中周期性相錯對的應變分析。推導出整個閉合結構中巨大的長程彈性應變梯度(106/m)。

圖4. PbTiO3鐵電體中通量全閉合疇結構核心處應變梯度分布分析，計算出核心處超大的應變梯度(109/m)。

圖5. 在Landau-Ginsburg-Devonshire理論框架下計算出三個疇交界處的二維應變分布，在此基礎上推導出閉合結構核心處目前最高量級彎電常數(10-10C-1m3)。

圖6. PbTiO3鐵電體中周期性閉合結構的形成規律。在一定的薄膜厚度范圍內，通量全閉合疇結構構成的周期性陣列的周期大小與薄膜厚度之間成比值約為的線性關系。