近十天發表十一篇頂刊，看看這類材料是如何做到的?

近年來，人們越來越意識到利用智能材料來控制或耦合各種光學和光電子材料。智能材料有能力對外界刺激作出反應，如電場或磁場、應變、溫度和濕度，壓電和鐵電材料在智能材料家族中占有重要地位。壓電材料在機械應力作用下能產生電位。鐵電體是一類特殊的壓電材料，它具有自發極化，可以通過外加電場進行切換。壓電和鐵電材料在耦合和控制各種材料的電子和光電特性方面顯示出巨大的潛在用途。鐵電和壓電效應可以作為外部擾動，如鐵電開關和壓電應變，來調節各種材料，特別是低維材料的光學性質。鐵電性和壓電性是一些光電材料的固有屬性，它們可以與其他功能特性（如半導體輸運、光激發和光伏）相結合達到前所未有的器件特性。此外，人為地將光學功能引入鐵電和壓電材料中，這也為研究參數（例如電場、極化和應變）與引入的光學過程之間的有趣相互作用提供了機會。這篇文章梳理了最近10天發表在頂級期刊上的鐵電材料文章，讓我們一起深入了解該領域。

1、Science：電偶極子的突現螺旋結構

體相材料中磁偶極子的長程排序產生了廣泛的磁性結構，從簡單的共線鐵磁體和反鐵磁體，到通過相互競爭交換作用穩定的復雜螺旋狀磁結構。相比之下，介電晶體中的偶極序通常限于電偶極子的平行(鐵電)和反平行(反鐵電)共線排列。在此，英國哈維爾創新中心Dmitry D. Khalyavin研究團隊報道了通過光孔摻雜四倍鈣鈦礦BiMn₇O₁₂觀察到的電偶極子的不相稱螺旋序。與磁學相似，電偶極螺旋結構是通過競爭的不穩定性來穩定的。具體來說，軌道的順序和孤電子對的立體化學活性相互競爭，導致通過中間密度波從非手性立方結構到不對稱的電偶極子和軌道螺旋的相變。該成果以“Emergent helical texture of electric dipoles”為題，發表在Science上。DOI: 10.1126/science.aay7356。

原文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/369/6504/680?rss=1

2、Advanced Materials：揭示三次諧波產生時原子層Bi₂O₂Se的細微結構畸變

硒化鉍是一種新型的二維材料，由于其強大的帶隙、環境穩定性和超高的電子遷移率，近年來受到越來越多的關注。在這類復雜氧化物中，細微的結構畸變往往在決定其獨特的物理性質，如鐵原子序、鐵電性和磁彈性方面起決定性作用。因此，有必要對Bi₂O₂Se的精細結構對稱性進行深入研究，以開發其潛在的應用。然而，傳統技術要么耗時，要么需要繁瑣的樣品處理。在此，北京大學劉開輝教授團隊報道了一種無創且高通量的方法表征了二維中心對稱Bi₂O₂Se由極化依賴的三次諧波產生(THG)的精細結構畸變。實驗結果與理論預測的偏振相關THG垂直分量之間的差異表明了一種細微的結構畸變，即a<1.4°旋轉四方(Bi₂O₂)層的氧方，這種旋轉打破了2D Bi₂O₂Se的固有鏡面對稱，最終降低了D_4h點群到C_4h點群的對稱。這個結果表明，THG對細微的對稱變化具有很高的敏感性，從而顯示了它在揭示新型二維材料體系中隱藏的相變和相互作用極化亞晶格方面的潛力。該研究成果以“Unveiling the Fine Structural Distortion of Atomically Thin Bi₂O₂Se by Third-Harmonic Generation”為題，發表在Adv. Mater.上。DOI:?10.1002/adma.202002831。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202002831

3、Journal of the American Chemical Society：具有最等效極化方向的單組分有機鐵電的六倍頂點

鐵電材料中的旋渦拓撲缺陷由于其獨特的物理現象和在納米電子器件中的潛在應用而引起了人們的極大興趣。有機鐵電材料因其機械柔韌性好、加工簡單且環保、聲阻抗低而倍受人們的青睞。近日，南昌大學湯淵源教授成功地觀察到單組分有機鐵電體，2-(羥甲基)-2-硝基-1,3-丙二醇(1)中穩健的三角結構域，其中6個可以形成六倍的頂點結構域。這是第一次在鐵電體實中驗證實這樣一個有趣的拓撲渦旋。此外，用m3mF₁的Aizu符號表示1的對稱性變化導致所有鐵電體的晶體等效極化方向最多為48個。由于這些優點和優異的壓電性能，化合物1在軟機器人、柔性和可穿戴設備以及生物機器上作為可重構電子元件或機械傳感器顯示出巨大的潛力。該成果以“Six-Fold Vertices in a Single-Component Organic Ferroelectric with Most Equivalent Polarization Directions”為題，發表在J. Am. Chem. Soc.上。DOI：10.1021/jacs.0c06936。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.0c06936

4、Nature Communications：揭示了基于PbZrO₃的反鐵電材料的鐵電性質

由于反鐵電態與鐵電態之間的可逆相變，近年來反鐵電材料在儲能領域得到了廣泛的關注。具有特定反平行偶極子的反鐵電構型被用來建立反鐵電理論并理解其特征行為。近日，上海硅鹽所董顯林研究團隊報道了所謂的反鐵電(Pb,La)(Zr,Sn,Ti)O₃體系實際上是鐵電的。作者演示了不同的鐵電構型，它由鐵電有序段和磁偶極子的幅度或角度調制組成。鐵電體構型主要是由A陽離子和O^-陰離子的耦合造成的，其位移行為很大程度上取決于化學摻雜。特別重要的是，鐵電有序段的寬度和網極化可以通過組成來調整，與關鍵電特性線性相關，包括開關場、剩余極化和介電常數。這些發現為理解結構-性質的相關性、發展反鐵電/鐵電理論和設計新型鐵材料提供了新思路。該成果以“Unveiling the ferrielectric nature of PbZrO₃-based?antiferroelectric materials”為題，發表在Nat. Commun.上。DOI:?10.1038/s41467-020-17664-w。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-17664-w

5、Nano Letters：鐵電超導體中的極性納米結構域

流動載流子與極性晶體畸變競爭的機制是極性超導體尚未解決的關鍵問題，這為非傳統的庫珀配對提供了新的途徑。摻雜SrTiO₃薄膜經歷連續的鐵電和超導轉換，使它們成為闡明這一競爭性質的理想候選者。在這里，加州大學Susanne Stemmer教授通過掃描透射電子顯微鏡研究了極性納米結構域的演變作為摻雜的函數來揭示這些相互作用。這些納米疇是鐵電相的前驅體，也是長程庫侖相互作用的量度。隨著摻雜的增加，極性位移的大小、納米疇的大小和居里溫度被系統地抑制。此外，作者還表明摻雜原子本身引起的無序對鐵電態的不穩定性有第二貢獻。結果為鐵電超導體中摻雜抑制極性轉換的兩種不同機制提供了證據。該研究成果以“Polar nanodomains in a ferroelectric superconductor”為題，發表在Nano Lett.的期刊上。DOI:?10.1021/acs.nanolett.0c02285。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.0c02285

6、層狀鐵電異質結構在二維勢阱內的大開關光電導

高電導率和強鐵電性的共存是基于極化可控高效載流子傳輸的高性能鐵電器件的發展前景。與傳統的鈣鈦礦鐵電體不同，在大量電子摻雜的情況下，具有層狀結構的Bi₂WO₆具有保持鐵電性的巨大潛力。近日，北京師范大學張金星教授通過對光敏異質結構的人工設計，實現了室溫下Bi₂WO₆/SrTiO₃短路光電流的三個數量級的增強。這種大光電流的微觀機制源于電子和空穴在[WO₄]^?2和[Bi₂O₂]⁺²層的分離傳輸，分別具有較大的平面電導率，這可以通過從開頭的計算和光譜測量的結合來理解。層狀鐵電異質結構中的層狀電子結構和適當設計的能帶排列提供了實現高性能和非易失性可切換電子設備的機會。該研究成果以“Large Switchable Photoconduction within 2D Potential Well?of a Layered Ferroelectric Heterostructure”為題發表在材料領域著名期刊Adv. Mater.上。DOI:?0.1002/adma.202003033。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202003033

7、Angewandte Chemie International Edition：分子鐵電體驅動高性能鈣鈦礦太陽能電池

電子與空穴的非輻射復合已經被確定為有機-無機復合鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)能量損失的主要原因。足夠的內建電場和缺陷鈍化可以促進電子空穴對的有效分離，解決關鍵問題。近日，蘇州大學鄒貴付教授團隊和南昌大學熊仁根教授課題組合作首次在PSCs中引入同源鐵電分子，以擴大鈣鈦礦膜的內建場，使電荷分離和傳輸更加有效。由于與鈣鈦礦離子結構相似，分子鐵電性使鈣鈦礦活性層的缺陷得到很好的鈍化，光致發光強度增強約8倍，電子阱態密度顯著降低。分子鐵電體PSCs的光伏性能可達到21.78%，優于對比實驗的18.28%。本研究為分子鐵電體PSCs的研究奠定了基礎。該研究成果以“Molecular ferroelectrics driven high-performance?perovskite solar cells”為題發表在化學領域著名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。DOI:?10.1002/anie.202008494。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202008494

8、Nature Communications：在偶極晶格中排列的水分子的介電次序

?分子間氫鍵阻礙了水的長程(反)鐵電序。作者將水分子限制在介電晶體離子形成的納米尺度的籠子中。將它們排列在距離約為5?的通道中，通道間隔約為10?，可以防止氫網絡的形成，同時電子偶極-偶極相互作用仍然有效。近日，莫斯科物理與技術學院B. Gorshunov教授團隊測量了與溫度有關的介電常數、高溫電流、電極化和比熱，結果表明在T₀≈3k時水偶極晶格中出現有序無序的鐵電相變。從分子動力學和經典Monte Carlo模擬表明，低溫時水分子在Ab平面上形成沿通道方向反鐵電有序的鐵電疇。通過這種方式，作者實現了長期以來將水分子按極性排列的目標。這不僅在各種自然系統中具有很高的相關性，而且可能為生物相容納米電子學的未來應用開辟一條道路。該項研究成果以“Dielectric ordering of water molecules arranged?in a dipolar lattice”為題，發表在Nat. Commun.上。DOI:?10.1038/s41467-020-17832-y。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-17832-y

9、Nano Energy：自供電柔性光電探測器系統用BaTiO₃鐵電材料的鐵電-熱釋-光電子學效應增強光電流

一些鐵電材料已經證明了熱釋電和光電效應可以清除熱能和太陽能。然而，如何在鐵電材料中耦合熱釋電和光電效應仍然是一個挑戰。近日，北京納米能源與系統研究所楊亞研究員利用基于熱釋電和光電耦合的鐵電-熱釋-光電子學效應來增強鐵電鈦酸鋇基柔性光電探測器系統中的光電流。與純光伏系統相比，耦合光伏熱釋電系統對應的電流峰值和平臺分別高出451.9%和17.2%。這一結果可以用誘導能帶彎曲的鐵電-熱釋-光電子學效應來解釋。作為其潛在應用的一個證明，作者開發了一個傳感系統，它可以通過記錄被映射成陣列的電信號來檢測和識別光和溫度的變化。該研究成果以“Enhanced photocurrent via ferro-pyro-phototronic effect in ferroelectric?BaTiO₃?materials for a self-powered flexible photodetector system”為題，發表在Nano Energy上。DOI:?10.1016/j.nanoen.2020.105152。

原文鏈：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285520307308

10、Advanced Functional Materials：界面深阱極化耦合和肖特基界面控制鐵電記憶開關

憶阻器具有卓越的可擴展性，不僅在信息存儲領域，而且在神經形態計算領域具有革命性的潛力。傳統金屬氧化物作為電阻開關材料廣泛應用于記憶電阻器中。基于鐵電材料的界面型記憶電阻器是高性能存儲器件發展的替代品。然而，對這類記憶型電阻器的開關機制的清晰理解仍處于初級階段。因此，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室陳愛萍通過比較不同體系中的雙極性開關，發現鐵電記憶電阻器中的可開關二極管效應受偏振調制肖特基勢壘高度和極化耦合界面深能級俘獲/去陷阱控制。利用考慮極化效應的半導體理論，發展了一個唯象理論來解釋金屬/鐵電界面的電流-電壓行為。這些發現揭示了極化電荷、界面缺陷和肖特基界面之間的相互作用在控制鐵電阻開關中的關鍵作用，為設計性能更高的鐵電記憶電阻器提供了指導。該研究成果以“Couplings of Polarization with Interfacial Deep Trap?and Schottky Interface Controlled Ferroelectric?Memristive Switching”為題發表在Adv. Funct. Mater上。DOI: 10.1002/adfm.202000664。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202000664

11、Applied Catalysis B: Environmental：環保型Na_0.5?K_0.5?NbO₃基壓電振動催化:一種高效的相邊界催化劑

在各種壓電材料中，優良的振動-電轉換常常受到限制，因此很難產生由鐵電極化激發的高機械化學勢，用于先進的催化過程。為此，南昌航空大學劉志勇教授聯合西北工業大學樊慧慶教授提出了一種Li改性Na_0.5K_0.5NbO₃（NKN）材料的相邊界以提高壓電催化活性，并系統研究了其組成、相結構、電化學和催化性能之間的關系。在正交相和四方相共存的LNKN6（6mol%Li摻雜NKN）中表現出了優異的壓電催化性能，對有機污染物的降解具有良好的重復性和普遍適用性。反應速率常數為25.16×10^-3min^-1，是原NKN的3.20倍。用Landau-Ginsburg-Devonshire唯象理論和力產生電子空穴的轉移效率證實了壓電催化活性的增強，并由此推測了超聲振動驅動壓電催化的適宜機理。這項工作為提高壓電催化劑的催化效率提供了一種替代策略，NKN基壓電材料的高活性在環境修復中具有重要的應用價值。該研究成果以“Vibration catalysis of eco-friendly Na_0.5K_0.5NbO₃-based piezoelectric: An?efficient phase boundary catalyst”為題發表在Appl. Catal. B Environ.上。DOI: 10.1016/j.apcatb.2020.119353。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0926337320307682

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