設計新型鐵電材料？你的腦洞夠大嗎？

材料牛注：說到鐵磁體，想必大家都不陌生。鐵電體的話，你了解嗎？其實我們生活中很多地方都用到了鐵電體。鐵電體的電疇壁對于鐵電材料意義非凡，甚至可以說決定了材料的性能。但這是為什么呢？

磁場中的鐵磁體--如羅盤針--因其磁極化作用會發生轉動。鐵電體與之相似，但作用場為電場。由于外加電場能夠改變材料的電極化性能，因此鐵電體在存儲裝置--如交通卡--方面的應用前景廣闊。形變能夠帶來極化，極化也會產生形變，這就是壓電現象。鐵電體應用于不同的傳感器，能制造出重要的“智能材料”，如探針顯微鏡和超聲儀器，甚至還可以制成納米發電機。

賓夕法尼亞大學的化學家們正在參與研究新一代鐵電材料。近日，他們在Nature上發表了一篇文章，證明了鈦酸鉛的多尺度模擬給鐵電材料極性變化以重大啟發。

這個數學模型不是由實驗總結而來，而是由量子力學原理推導得出的。這一模型用于尋找和設計新型、具有特定功能的鐵電材料。

盡管已經有了一些商業應用，鐵電材料仍然存在一些問題。我們知道，鐵電材料中，不同的區域有不同的極化情況，稱為電疇。電疇的邊界產生相互作用，稱為電疇壁。電疇壁就是存在的問題之一。

Andrew M. Rappe教授與他的同事--Shi Liu和Shi Liu--共同負責這項課題。Rappe團隊模擬鐵電體--將鈦離子嵌入氧離子的六角八面體“籠”中。特定電疇的極化情況取決于鈦離子的移動方向。

Andrew M. Rappe教授說：“若施加一個與金屬原子極化方向相反的電場，這些原子會重新排列，最終與電場一致。與此同時它們也會受到臨近原子的斥力，因此，需要較大的能量保持電疇內原子的排列狀態。這也表明，原子排列方向的偏轉通常發生在電疇壁處。此處的原子排列上下左右不一，與電場方向完全不同，它們受到兩個電疇的共同作用。”

電疇壁“移動”像山火蔓延一樣。與電場方向一致的電疇通過改變鄰近的原子，逐漸地擴大范圍。與火不同的是，移除電場后，電疇壁能很容易地停止移動。這一特點對于鐵電材料的應用尤為重要，因為電場變換的間隙，材料必須保持穩定。

Rappe團隊用量子力學原理校準了數學模型，并首次證明了這一模型能夠精確地將電場強度和疇壁移動速度關聯起來。

Andrew M. Rappe教授還說：“這是關鍵的一點。有些應用需要疇壁慢速移動，有些則需要快速移動。如果你不知道疇壁為何移動和如何移動，就不能對新材料進行選擇，更不能將其設計成特定的疇壁移動速度。”

科學家們用之前的模型預測了材料的電滯回線。電滯回線圖表明了將材料從一個方向極化到另一個方向，再返回原狀態所需要的能量。實驗數據和預測值的對比結果證明了Penn組方法的正確性。

這一結果強調了熱波動是疇核形成的原因，疇核處的極化速度發生了變化。增加電場強度會減小反應所需的成核尺寸，因此更易進行。

缺陷的存在，以及晶體內部的混亂排列不是阻止電疇壁加速移動的原因，而是加速后又減速的原因。量子力學理論表明，設計鐵電元件，無需制備高純度的晶體。

Rappe團隊的模擬結果表明，一個電疇轉變為另一個的過程與相鄰兩個電疇的具體取向無關。而Penn團隊早期的研究假設：相鄰電疇的取向角度不同（如90°和180°），那么電疇的轉變機制也不同。這些模擬結果證明所有電疇壁的移動都有一個通用的機制。

將這一現象投入到壓電器件的應用上，需要保證材料能進行精確和可重復的形變。例如，制造一種鐵電材料，用來調節智能手機相機的透鏡光圈，循環穩定性是其中的重要一環。

材料基因組計劃是一項致力于使用理論計算開發新材料的項目，Rappe團隊的研究方向與此計劃保持一致。這些舉措對于將新的壓電材料進行推廣應用，或者探尋有著特異性能的新材料均有著重要的意義。

Rappe介紹道，“設計材料的第一步，就是理解物理概念，分析工作機制，這些我們都已經做到了。本課題啟發我們開始研究基于電疇壁器件的設計工作。許多材料的電疇壁可以導電，然而塊體材料難以實現。因此，可以施加一個電場使疇壁移動，就像移動材料內部的電線。你也可以想象，一疊這樣的材料，只有全部排成一行，甚至組成一個回路，或者嵌入一些邏輯元件才能夠導電。”

論文地址：Intrinsic ferroelectric switching from first principles

原文參考地址：Study on Ferroelectric Materials Could Lead to Materials Design of Domain Wall Based Devices