图 原子尺度成像揭示铁弹保护的可逆O-Mʹ相变和张应变诱导的不可逆O-M相变
在国家自然科学基金项目（批准号：52322212、52250402、52025025）等资助下，中国科学院物理研究所张庆华副研究员、葛琛研究员与清华大学谷林教授合作，在萤石结构铁电材料领域研究取得新进展。相关研究成果以“二氧化锆中铁弹性保护的可逆正交-类单斜相变（Ferroelastically protected reversible orthorhombic to monoclinic-like phase transition in ZrO2 nanocrystals）”为题，于2024年4月8日发表在《自然•材料》（Nature Materials）杂志上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-024-01853-9。
以HfO2和ZrO2为代表的萤石结构氧化物薄膜在纳米尺度拥有稳定的铁电性，并且高度兼容于硅基半导体工艺，在非易失性存储器、场效应晶体管以及储能装置中有着良好的应用前景。然而，由于其极性的正交相（O相）在室温下是一种亚稳态相，容易转变为基态非极性的单斜相（M相），从而导致其铁电性能的衰退。因此，探索该体系中O-M相变的临界条件以及潜在的可逆相变路径对于稳定萤石氧化物的铁电性尤为关键。
为解决以上科学难题，研究团队利用原位球差电镜成像方法，在实验上观测了萤石铁电体系可逆和不可逆的极性-非极性相变过程，首次在原子尺度上揭示了铁弹性保护的可逆正交-单斜相变机制，并精确测量了稳定极性正交相的临界张应变条件（图）。研究发现铁弹性保护的可逆极性-非极性相变源于热力学上剪切形变和铁弹翻转的不兼容性，O-M剪切形变所积累的张应变导致了极性-非极性相变可逆性的衰退。该研究提出的铁弹翻转保护相变可逆性的机制和铁电相临界应变条件深化了对铁电材料中铁电-铁弹耦合现象的理解，也为萤石结构铁电半导体器件的稳定性设计提供了新的理论依据。