超薄SrTiO3中应变诱导出周期性极化波

       在无外加扰动条件下，钛酸锶(SrTiO3)从室温一直降温至接近0K都是表现出具有中心对称结构的顺电相。然而，在降温过程中，SrTiO3的某些物理参量(如介电常数等)会表现出类似顺电-铁电相变的特征，如在特定转变温度观测到介电反常等现象，表明SrTiO3是潜在的铁电材料。但是，其有序极化的铁电相被离子位置的量子涨落抑制，导致实验上很难诱导和稳定SrTiO3的铁电性，故SrTiO3也被称作量子顺电体。如何利用适当的调控因子抑制其离子的量子涨落，诱导“隐藏”的铁电SrTiO3相一直是凝聚态物理领域的研究热点，对研究和理解物质的亚稳集体行为并进一步诱导相关的新性能具有重要指导作用。实验上可以通过衬底施加均匀应变和纳米极化区缺陷等手段稳定SrTiO3的铁电性；特别是近来，人们发现利用太赫兹高频电场或飞秒中红外激光激发，可以实现SrTiO3铁电相的稳定甚至室温长时间稳定，引起了人们对物质亚稳态及其诱导新性能研究的强烈兴趣。然而，对SrTiO3而言，上述方法诱导稳定的铁电相一般极化较弱，或稳定时间较短。

       近日，马秀良、朱银莲、唐云龙等人在Nano Letters上发表了关于超薄SrTiO3层中利用应变调控诱导出具有强极化属性的周期性极化波的研究论文。他们通过PbTiO3/SrTiO3/PbTiO3三层结构传递GdScO3衬底对PbTiO3层畴结构的应变调控，成功利用PbTiO3层的周期性a/c畴结构在中间超薄SrTiO3层中诱导出巨大的周期性非均匀应变分布(图1，图2)；该特殊周期性应变分布不仅在超薄SrTiO3层中诱导出巨大极化离子位移，更进一步诱导了特殊的周期性极化波极化形式(图3)。其中超薄SrTiO3层中的峰值c/a比可达1.07，峰值Ti离子极化位移接近0.01nm，其极化畸变和离子位移峰值甚至可匹敌强极化铁电体PbTiO3。

       文中指出，虽然近年来应变工程调控在钙钛矿功能氧化物结构性能关系研究中取得了长足的发展和巨大的成就，但如何进一步集成周期性非均匀应变仍然非常具有挑战性。该论文则提供了一条在超薄氧化物异质结中集成巨大周期性弹性应变的策略，也显示出周期性应变调控对诱导新结构和潜在新性能的潜力：此处他们不仅成功在量子顺电SrTiO3中诱导出强极化相，更进一步在该超薄SrTiO3层中诱导出特殊的周期性极化波结构。该应变调控策略有望激发更多关于功能氧化物潜在非平衡“隐藏”相及其伴随新结构性能关系的研究。