钛酸锶（SrTiO₃）是氧化物領域裡最常用的襯底材料之一，由于其鐵電序和反鐵畸變（AFD）序等多種模式相互競争，因此具有非常豐富的物理性質。其中，SrTiO₃中的AFD相具備直接帶隙，被認為很可能是其藍光發射和低溫下巨大光電導率的物理起源。因此，設計産生和調控SrTiO₃的AFD相是在量子順電體SrTiO₃中實現新奇光學、電學性質的一種有效途徑。得到AFD相的通常做法是當SrTiO₃被降溫至105 K以下，自然地從順電相轉變為AFD相。

近日，beat365官方网站量子材料科學中心、beat365電子顯微鏡實驗室高鵬研究員課題組與中國科學院物理研究所白雪冬研究員、東京大學Yuichi Ikuhara教授等合作，在SrTiO₃中發現了室溫下的二維AFD相。他們利用對氧原子敏感的成像及定量原子像分析技術，首先解析了SrTiO₃ Σ13晶界的原子結構，并在皮米（1 pm=10^-12 m）精度上定量測量其結構畸變。據此發現，在該晶界附近，相鄰的氧八面體向相反方向旋轉，表明産生了局域的AFD相。常規的SrTiO₃室溫相是立方結構，不存在氧八面體旋轉，而晶界附近的氧八面體旋轉角可高達～6.7°，大于已公開報道的低溫下AFD相的旋轉角。原子尺度的電子能量損失譜學分析顯示，這種局域的AFD序很可能是由于晶界附近的氧空位提供了電子摻雜，使得钛（Ti）離子半徑變大，從而導緻氧八面體膨脹而發生旋轉。值得一提的是，這種沿着晶界平面的室溫AFD相的厚度隻有大約6個晶胞，然而另外兩個方向則具有厘米尺寸，因此有望被制備成二維的光電導通道，在信息傳輸領域具有潛在的應用價值。

該項工作反映出晶界工程是設計新奇物相的一種有效手段。在複雜氧化物材料中，晶格、電荷等序參量之間通常存在強耦合作用；而在這些材料的界面（如晶界、位錯等）缺陷處，平移對稱性破缺打破了化學鍵的連續性，改變了晶格與其他序參量的耦合作用，進而使相應缺陷衍生出體材料所不具備的新奇物相。因此，有可能通過晶界工程創造出一些新奇的低維物相。

圖：SrTiO₃ Σ13晶界附近的AFD相。（a）晶界附近Ti、O原子位置圖像，圖中箭頭和連線标識了晶界附近TiO₆八面體的旋轉，而遠離晶界處的SrTiO₃相是常規的立方結構。（b）晶界附近AFD相的原子結構示意圖。（c）晶格尺度TiO₆八面體旋轉（θ_h）分布圖。

上述研究工作以“利用晶界工程實現钛酸锶在室溫下的二維反鐵畸變相”（Two-dimensional room-temperature giant antiferrodistortive SrTiO₃ at a grain boundary）為題，于2021年6月4日在線發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters, 126, 225702 (2021)）；beat3652020級博士研究生韓博為第一作者，高鵬為通訊作者。相關工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省重點領域研發計劃，及量子物質科學協同創新中心、beat365輕元素先進材料研究中心、beat365電子顯微鏡實驗室、日本文部科學省和學術振興會等支持。

論文鍊接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.225702