实现性能调控的纳米尺度结构设计 - 浙江大学学术进展评选网

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项目名称：实现性能调控的纳米尺度结构设计

申报单位：材料科学与工程学院负责人：田鹤

项目简介

在过渡族金属氧化物这类强关联电子体系中，电子表现出的不仅是电荷，还有自旋、轨道这些复杂的属性，相互耦合诞生了如高温超导、庞磁电阻、多铁性等诸多具有重要应用前景的特性。但对电荷、轨道、自旋间的耦合关系，及其有序性与晶格的耦合、相互作用理解的依然不足，制约了对此类功能性材料性能有效调控的探索。

张泽院士领导的田鹤团队利用自主发展的电子显微学方法，在纳米乃至原子尺度对各物理量间耦合关系开展研究，有针对性的探知耦合本质与性能的依存关系，并探索性能调控的途径。揭示了在铁电材料内部，引入纳米尺度极化表面，对单相铁电材料宏观热膨胀行为调控的物理机制。与浙江大学韩高荣、任召辉团队合作，设计并制备出一种PbTiO₃单相铁电介孔零膨胀系数材料；创新提出了一种调制铁电材料热膨胀系数的新途径，为设计、制备性能优异的单相零膨胀材料提供了新思路。（Nature Communications, 9 (2018) 1638 ）进而，发现了晶格调控可突破极限尺寸对铁电极化的抑制作用。与新加坡国立大学陈景生团队合作，实现了四方相BiFeO₃薄膜在室温二维极限尺度下的铁电序；证实了极限尺度下（一个单胞厚）的BiFeO₃薄膜，所具有的超强铁电性与自发的面外极化；揭示了铁电极化产生、稳定和转化的物理机制；奠定了其作为高密度非易失性存储器的科学基础。(Nature communications 9 (2018) 3319)

项目的主要特色是摆脱性能测试宏观、平均的限制，在纳米乃至原子尺度通过对各物理量间耦合关系的研究，直接构建微观结构对宏观性能的影响。通过纳米尺度结构设计，探索调控宏观性能的途径，为设计新型的功能性材料与器件提供了新的机遇。证实了针对性纳米尺度结构设计，对宏观性能的有效调控。成功研制了一种具有宽温度服役范围（低温、室温与高温区）的单相零膨胀系数材料，为航天、航空等领域，精密载荷关键部件的高精度、高稳定性需求提供了新的解决方案；在常温下实现了具有原子级别厚度，面外铁电极化的高密度纳米器件，打破了铁电薄膜临界厚度的认知。

科学解读

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在物理与材料研究领域中，众多问题的解决受限于样品质量、尺寸、探测极限等因素制约而搁置，而这些问题是可以通过电子显微学方法来实现突破。近年发展起来的球差矫正等先进电子显微学方法，为在纳米乃至原子尺度对众多物理量及其耦合关系的测量与表征提供了可能，也为实现性能调控的纳米尺度结构设计提供了依据。

众所周知，大多数材料在温度变化时呈现热胀冷缩的性质，而有一类特殊的材料因其在温度变化时体积基本保持不变，被称为零膨胀材料。一直以来，零膨胀材料因其在高精度仪器、极端条件元器件等方面极具应用价值而备受关注。然而，目前发现的零膨胀材料仍非常稀少，设计制备宽服役温度范围、低膨胀系数的零膨胀材料是该领域的核心目标。针对这一问题，我们团队进行了系统的原位实验及微结构研究，表明铁电材料中，封闭介孔内存在着正负铁电极化表面，这些表面分别由氧离子、氧空位的聚集而被屏蔽。这一特殊的自发铁电极化屏蔽机制使得介孔微区附近的铁电性消失，从而显示出正膨胀性能。这一特性与钛酸铅本征的负膨胀性质相协同，从而使单晶介孔钛酸铅纤维表现出零膨胀的特性。成功将大量纳米尺度的封闭介孔引入到单晶钙钛矿钛酸铅中，这有效地调制了热膨胀性能，其晶胞体积在极宽的温度范围内基本保持不变。这一研究揭示了铁电体内部表面微结构的构建及其铁电极化屏蔽机制对材料热膨胀性能起到了显著调控作用，为设计、制备性能优异的新一类单相零膨胀材料提供了新思路。

另一方面，由于尺寸、表面和界面效应以及量子效应等因素，材料中的有序结构，如铁磁有序、铁电有序等，通常在极限尺寸下被显著抑制。由于长程有序的尺寸限制，到目前为止，在室温下实现具有垂直于表面极化的原子厚度铁电薄膜仍然是一个艰巨的挑战，严重制约了高密度非易失性存储器件的发展与小型化。针对这一问题，我们团队利用球差矫正电子显微镜，在一个单位晶胞厚的BiFeO₃薄膜中直接观察到了面外的强自发极化，并且实现了高达370% 的隧道电流变效应。这一发现证实了BiFeO₃薄膜中的铁电临界厚度可以通过结构设计以实现突破，这对于高密度数据存储显示出巨大的应用前景，将为铁电基器件的小型化突破开辟可能性。

项目团队

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