晶界是一種典型的二維界面。與異質結界面、相界面等二維界面不同的是，晶界兩側的晶粒是同一種相，體現出完全相同的宏觀物性，隻是在晶界處由于平移對稱性破缺導緻了成鍵或成分發生了改變。這種局域原子結構的改變使得晶界處局域聲子行為、電子結構、離子活性等受到影響，從而可能産生不同于完美晶體的新特性。在某些納米尺寸材料和器件中，這些晶界的新特性甚至可能決定了相關化合物的宏觀物性，比如最近的研究熱點扭轉二維材料體系，其新奇物性主要來源于兩個二維單晶之間不同扭轉角度的晶界。因此，确定晶界處的原子排列，以及進一步确定相應的電子結構、聲子結構等，将有助于理解實際含缺陷材料的結構物性關聯，并以此設計新功能。

晶界獨特的微觀特征主要體現在兩個方面：一是晶界處局域的化學成分變化，二是由于平移對稱性破缺導緻晶界處的成鍵環境變化。在傳統的晶界理論裡，元素偏析效應備受關注，而對結構畸變的研究較少，主要是因為單個晶界核的尺寸非常小，晶界附近結構畸變變化的空間尺度通常是納米甚至原子級别，揭示其微觀結構和關聯物性非常困難。

近年來，beat365官方网站量子材料科學中心、電子顯微鏡實驗室高鵬研究員課題組與合作者利用晶界工程在原子尺度實現了一系列新物相的設計與調控：發現了钛酸锶（SrTiO₃）有的晶界在室溫下具有二維反鐵畸變相（Physical Review Letters, 2021, 126, 225702）；利用鐵酸铋（BiFeO₃）晶界構建了穩定的二維負電荷氣（Science Bulletin, 2021, 66, 771）；發現了钌酸锶（SrRuO₃）晶界具有自旋閥磁電阻并揭示了其微觀起源（National Science Review, 2020, 7, 755）；基于SrTiO₃位錯，為撓曲電效應的存在首次提供了原子尺度證據（Physical Review Letters, 2018, 120, 267601）。

近日，高鵬與beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所李新征教授等合作，發現了氧化物晶界存在普适的撓曲電效應。聯合研究團隊在實驗上證實了晶界處普遍存在的梯形單胞具有強撓曲電極化，這對晶界的電子結構有着非常重要的影響，并且撓曲電效應可以簡單地由晶界幾何結構來調控。他們在非鐵電材料鋁酸镧（LaAlO₃）24°晶界中發現存在高達 1.2 nm^-1 的應變梯度，導緻接近 38 μC/cm² 的撓曲電極化，與常規鐵電材料钛酸鋇（BaTiO₃）的極化值相當；依據電子能量損失譜學特征，發現這種撓曲電極化是由于晶界核内更強的La-O相互作用産生的；納米級撓曲電極化引起了電荷在晶界處聚集，改變了局域電荷密度分布；結合第一性原理計算結果，證明了晶界撓曲電有效地調控了LaAlO₃電子結構，與實驗觀測一緻。進一步，聯合研究團隊通過對比不同材料、不同取向角的晶界極化特征，證實了通過晶界工程設計原子級撓曲電性的通用性和可調性。這種撓曲電性的存在也為理解陶瓷材料中晶界的電輸運等行為提供了新的思路。

圖 a 晶界處由于對稱性破缺導緻的單胞不均勻變形示意圖，晶界撓曲電（P_flexo）誘導産生淨電偶極矩；b 原子分辨的LaAlO₃晶界元素分布圖；c 利用對氧元素敏感的成像手段得到的LaAlO₃晶界全原子構型；d 理論計算得到的晶界附近的撓曲電極化分布（極化方向指向晶界核）；e 理論預期的晶界附近電荷密度分布，其中白色矩形框表示負電荷在晶界處有極大值

2022年1月11日，相關研究成果以“晶界處原子尺度撓曲電性的調控”（Engineering of Atomic-Scale Flexoelectricity at Grain Boundaries）為題在線發表于《自然·通訊》（Nature Communications）；beat365官方网站量子材料科學中心2018級博士研究生武媚與2016級博士研究生（現為華盛頓大學博士後）張小偉為共同第一作者，高鵬、李新征為共同通訊作者。

上述研究工作得到國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項，及量子物質科學協同創新中心、beat365電子顯微鏡實驗室和beat365高性能計算平台等支持。

論文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27906-0

供稿：高   鵬
編校：孫嘉琪
編輯：孫嘉琪
審核：馮   濟