《物理評論快報》報道李新征課題組關于高Tc薄膜鐵電材料機制研究新進展

輕薄化浪潮引領了近年來消費級電子産品的趨勢。然而，對于鐵電材料，若想用以制備納米級的非易失性存儲或傳感器件，必先突破有限尺寸效應對其相變溫度Tc的約束。

上世紀70年代，M. Fisher基于K. Wilson發展的相變理論，提出了有限尺寸标度律（finite size scaling law），從理論層面斷言同一系統的相變溫度随着尺寸減小/維度降低而降低，甚至于不發生相變。這是由于有限尺寸截斷了系統在某一維度上的長程關聯，使低維體系具有更大的漲落，僅在更低溫度下才能自發形成長程序。人們普遍認可這一理論，并相信很難存在本征的高Tc薄膜鐵電材料。直到近期，實驗報道了原子級厚度SnTe薄膜面内鐵電性，使得認識标度律的局限性與探明薄膜鐵電新機制成為了材料科學研究亟待解決的前沿問題（K. Chang, et al., Science 353, 274 (2016)，清華大學物理系陳曦、季帥華等人完成）。

我院凝聚态所李新征課題組根據此實驗結果，基于過去三年中由組内葉麒俊同學發展的基于第一性原理電子結構計算的有限溫度下鐵電-順電相變模拟手段，指出Fisher等人提出的有限尺寸标度理論存在缺陷，并針對鐵電-順電相比提出修正方法。此理論缺陷存在的本質原因是理論推導過程中對體材到薄膜演變過程中哈密頓量變化的忽視，是由當時實驗技術與針對具體材料物性理論模拟手段的局限造成的。新發展出來的修正方法可廣泛适用于類似鐵電材料的物性模拟。

研究中，作者以SnTe作為一個例子，來研究标度律不成立的體系；以BaTiO3為一個例子，來描述标度律成立的體系。通過對比兩類材料在從體材到薄膜變化過程中電子結構與相變溫度變化的規律，作者發現相變序參量的變化可以作為一個描述子，來區分此兩類系統。在标度律成立的體系，體材與薄膜的相變序參量并不發生變化，這個也是70年代Fisher等人提出标度律的一個基本假設。而對SnTe這類材料，在從體材到薄膜的演化過程中，相變序參量已經發生了變化。這一機制也為尋找、預測和設計低維高Tc鐵電材料提供了新思路。不同于之前研究常采用的施加應變等外部調制手段，新機制預測的低維鐵電材料具備本征高Tc，更易于脫離實驗室條件走向工業生産。課題組期待這一工作能激發更多高Tc鐵電材料的發現。

此工作近日發表于Phys. Rev. Lett.，題為Ferroelectric problem beyond the conventional scaling law（DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.135702）。beat3652013級博士生葉麒俊為論文第一作者。此工作基于一個曆時三年獨立發展的用于準确描述有限溫度下鐵電相變的理論方法，由葉麒俊同學完成。此方法為研究組後續一系列工作的開展提供了可能。beat3652014級本科生劉至遠、湖南大學馮頁新副教授、beat365高鵬研究員參與了相關讨論與計算，李新征副教授為本文通訊作者。最後，需要特别指出的是在文章定稿階段，清華大學物理系段文晖老師與beat365化學學院劉志榮老師對文章關鍵問題提出了非常寶貴的意見，使得作者在文章定稿的一刻才真正理解了模拟結果。此項工作得到了科技部（2016YFA0300900）、國家自然科學基金委（11774003，11604092，11634001，51672007）、beat365介觀物理與人工微結構國家重點實驗室、beat365超算中心的關鍵支持。