近十天发表十一篇顶刊，看看这类材料是如何做到的?

近年来，人们越来越意识到利用智能材料来控制或耦合各种光学和光电子材料。智能材料有能力对外界刺激作出反应，如电场或磁场、应变、温度和湿度，压电和铁电材料在智能材料家族中占有重要地位。压电材料在机械应力作用下能产生电位。铁电体是一类特殊的压电材料，它具有自发极化，可以通过外加电场进行切换。压电和铁电材料在耦合和控制各种材料的电子和光电特性方面显示出巨大的潜在用途。铁电和压电效应可以作为外部扰动，如铁电开关和压电应变，来调节各种材料，特别是低维材料的光学性质。铁电性和压电性是一些光电材料的固有属性，它们可以与其他功能特性（如半导体输运、光激发和光伏）相结合达到前所未有的器件特性。此外，人为地将光学功能引入铁电和压电材料中，这也为研究参数（例如电场、极化和应变）与引入的光学过程之间的有趣相互作用提供了机会。这篇文章梳理了最近10天发表在顶级期刊上的铁电材料文章，让我们一起深入了解该领域。

1、Science：电偶极子的突现螺旋结构

体相材料中磁偶极子的长程排序产生了广泛的磁性结构，从简单的共线铁磁体和反铁磁体，到通过相互竞争交换作用稳定的复杂螺旋状磁结构。相比之下，介电晶体中的偶极序通常限于电偶极子的平行(铁电)和反平行(反铁电)共线排列。在此，英国哈维尔创新中心Dmitry D. Khalyavin研究团队报道了通过光孔掺杂四倍钙钛矿BiMn₇O₁₂观察到的电偶极子的不相称螺旋序。与磁学相似，电偶极螺旋结构是通过竞争的不稳定性来稳定的。具体来说，轨道的顺序和孤电子对的立体化学活性相互竞争，导致通过中间密度波从非手性立方结构到不对称的电偶极子和轨道螺旋的相变。该成果以“Emergent helical texture of electric dipoles”为题，发表在Science上。DOI: 10.1126/science.aay7356。

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

2、Advanced Materials：揭示三次谐波产生时原子层Bi₂O₂Se的细微结构畸变

硒化铋是一种新型的二维材料，由于其强大的带隙、环境稳定性和超高的电子迁移率，近年来受到越来越多的关注。在这类复杂氧化物中，细微的结构畸变往往在决定其独特的物理性质，如铁原子序、铁电性和磁弹性方面起决定性作用。因此，有必要对Bi₂O₂Se的精细结构对称性进行深入研究，以开发其潜在的应用。然而，传统技术要么耗时，要么需要繁琐的样品处理。在此，北京大学刘开辉教授团队报道了一种无创且高通量的方法表征了二维中心对称Bi₂O₂Se由极化依赖的三次谐波产生(THG)的精细结构畸变。实验结果与理论预测的偏振相关THG垂直分量之间的差异表明了一种细微的结构畸变，即a<1.4°旋转四方(Bi₂O₂)层的氧方，这种旋转打破了2D Bi₂O₂Se的固有镜面对称，最终降低了D_4h点群到C_4h点群的对称。这个结果表明，THG对细微的对称变化具有很高的敏感性，从而显示了它在揭示新型二维材料体系中隐藏的相变和相互作用极化亚晶格方面的潜力。该研究成果以“Unveiling the Fine Structural Distortion of Atomically Thin Bi₂O₂Se by Third-Harmonic Generation”为题，发表在Adv. Mater.上。DOI: 10.1002/adma.202002831。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202002831

3、Journal of the American Chemical Society：具有最等效极化方向的单组分有机铁电的六倍顶点

铁电材料中的旋涡拓扑缺陷由于其独特的物理现象和在纳米电子器件中的潜在应用而引起了人们的极大兴趣。有机铁电材料因其机械柔韧性好、加工简单且环保、声阻抗低而倍受人们的青睐。近日，南昌大学汤渊源教授成功地观察到单组分有机铁电体，2-(羟甲基)-2-硝基-1,3-丙二醇(1)中稳健的三角结构域，其中6个可以形成六倍的顶点结构域。这是第一次在铁电体实中验证实这样一个有趣的拓扑涡旋。此外，用m3mF₁的Aizu符号表示1的对称性变化导致所有铁电体的晶体等效极化方向最多为48个。由于这些优点和优异的压电性能，化合物1在软机器人、柔性和可穿戴设备以及生物机器上作为可重构电子元件或机械传感器显示出巨大的潜力。该成果以“Six-Fold Vertices in a Single-Component Organic Ferroelectric with Most Equivalent Polarization Directions”为题，发表在J. Am. Chem. Soc.上。DOI：10.1021/jacs.0c06936。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.0c06936

4、Nature Communications：揭示了基于PbZrO₃的反铁电材料的铁电性质

由于反铁电态与铁电态之间的可逆相变，近年来反铁电材料在储能领域得到了广泛的关注。具有特定反平行偶极子的反铁电构型被用来建立反铁电理论并理解其特征行为。近日，上海硅盐所董显林研究团队报道了所谓的反铁电(Pb,La)(Zr,Sn,Ti)O₃体系实际上是铁电的。作者演示了不同的铁电构型，它由铁电有序段和磁偶极子的幅度或角度调制组成。铁电体构型主要是由A阳离子和O^-阴离子的耦合造成的，其位移行为很大程度上取决于化学掺杂。特别重要的是，铁电有序段的宽度和网极化可以通过组成来调整，与关键电特性线性相关，包括开关场、剩余极化和介电常数。这些发现为理解结构-性质的相关性、发展反铁电/铁电理论和设计新型铁材料提供了新思路。该成果以“Unveiling the ferrielectric nature of PbZrO₃-based antiferroelectric materials”为题，发表在Nat. Commun.上。DOI: 10.1038/s41467-020-17664-w。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-17664-w

5、Nano Letters：铁电超导体中的极性纳米结构域

流动载流子与极性晶体畸变竞争的机制是极性超导体尚未解决的关键问题，这为非传统的库珀配对提供了新的途径。掺杂SrTiO₃薄膜经历连续的铁电和超导转换，使它们成为阐明这一竞争性质的理想候选者。在这里，加州大学Susanne Stemmer教授通过扫描透射电子显微镜研究了极性纳米结构域的演变作为掺杂的函数来揭示这些相互作用。这些纳米畴是铁电相的前驱体，也是长程库仑相互作用的量度。随着掺杂的增加，极性位移的大小、纳米畴的大小和居里温度被系统地抑制。此外，作者还表明掺杂原子本身引起的无序对铁电态的不稳定性有第二贡献。结果为铁电超导体中掺杂抑制极性转换的两种不同机制提供了证据。该研究成果以“Polar nanodomains in a ferroelectric superconductor”为题，发表在Nano Lett.的期刊上。DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c02285。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.0c02285

6、层状铁电异质结构在二维势阱内的大开关光电导

高电导率和强铁电性的共存是基于极化可控高效载流子传输的高性能铁电器件的发展前景。与传统的钙钛矿铁电体不同，在大量电子掺杂的情况下，具有层状结构的Bi₂WO₆具有保持铁电性的巨大潜力。近日，北京师范大学张金星教授通过对光敏异质结构的人工设计，实现了室温下Bi₂WO₆/SrTiO₃短路光电流的三个数量级的增强。这种大光电流的微观机制源于电子和空穴在[WO₄]⁻²和[Bi₂O₂]⁺²层的分离传输，分别具有较大的平面电导率，这可以通过从开头的计算和光谱测量的结合来理解。层状铁电异质结构中的层状电子结构和适当设计的能带排列提供了实现高性能和非易失性可切换电子设备的机会。该研究成果以“Large Switchable Photoconduction within 2D Potential Well of a Layered Ferroelectric Heterostructure”为题发表在材料领域著名期刊Adv. Mater.上。DOI: 0.1002/adma.202003033。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202003033

7、Angewandte Chemie International Edition：分子铁电体驱动高性能钙钛矿太阳能电池

电子与空穴的非辐射复合已经被确定为有机-无机复合钙钛矿太阳能电池(PSCs)能量损失的主要原因。足够的内建电场和缺陷钝化可以促进电子空穴对的有效分离，解决关键问题。近日，苏州大学邹贵付教授团队和南昌大学熊仁根教授课题组合作首次在PSCs中引入同源铁电分子，以扩大钙钛矿膜的内建场，使电荷分离和传输更加有效。由于与钙钛矿离子结构相似，分子铁电性使钙钛矿活性层的缺陷得到很好的钝化，光致发光强度增强约8倍，电子阱态密度显著降低。分子铁电体PSCs的光伏性能可达到21.78%，优于对比实验的18.28%。本研究为分子铁电体PSCs的研究奠定了基础。该研究成果以“Molecular ferroelectrics driven high-performance perovskite solar cells”为题发表在化学领域著名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。DOI: 10.1002/anie.202008494。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202008494

8、Nature Communications：在偶极晶格中排列的水分子的介电次序

 分子间氢键阻碍了水的长程(反)铁电序。作者将水分子限制在介电晶体离子形成的纳米尺度的笼子中。将它们排列在距离约为5Å的通道中，通道间隔约为10Å，可以防止氢网络的形成，同时电子偶极-偶极相互作用仍然有效。近日，莫斯科物理与技术学院B. Gorshunov教授团队测量了与温度有关的介电常数、高温电流、电极化和比热，结果表明在T₀≈3k时水偶极晶格中出现有序无序的铁电相变。从分子动力学和经典Monte Carlo模拟表明，低温时水分子在Ab平面上形成沿通道方向反铁电有序的铁电畴。通过这种方式，作者实现了长期以来将水分子按极性排列的目标。这不仅在各种自然系统中具有很高的相关性，而且可能为生物相容纳米电子学的未来应用开辟一条道路。该项研究成果以“Dielectric ordering of water molecules arranged in a dipolar lattice”为题，发表在Nat. Commun.上。DOI: 10.1038/s41467-020-17832-y。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-17832-y

9、Nano Energy：自供电柔性光电探测器系统用BaTiO₃铁电材料的铁电-热释-光电子学效应增强光电流

一些铁电材料已经证明了热释电和光电效应可以清除热能和太阳能。然而，如何在铁电材料中耦合热释电和光电效应仍然是一个挑战。近日，北京纳米能源与系统研究所杨亚研究员利用基于热释电和光电耦合的铁电-热释-光电子学效应来增强铁电钛酸钡基柔性光电探测器系统中的光电流。与纯光伏系统相比，耦合光伏热释电系统对应的电流峰值和平台分别高出451.9%和17.2%。这一结果可以用诱导能带弯曲的铁电-热释-光电子学效应来解释。作为其潜在应用的一个证明，作者开发了一个传感系统，它可以通过记录被映射成阵列的电信号来检测和识别光和温度的变化。该研究成果以“Enhanced photocurrent via ferro-pyro-phototronic effect in ferroelectric BaTiO₃ materials for a self-powered flexible photodetector system”为题，发表在Nano Energy上。DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.105152。

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

10、Advanced Functional Materials：界面深阱极化耦合和肖特基界面控制铁电记忆开关

忆阻器具有卓越的可扩展性，不仅在信息存储领域，而且在神经形态计算领域具有革命性的潜力。传统金属氧化物作为电阻开关材料广泛应用于记忆电阻器中。基于铁电材料的界面型记忆电阻器是高性能存储器件发展的替代品。然而，对这类记忆型电阻器的开关机制的清晰理解仍处于初级阶段。因此，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室陈爱萍通过比较不同体系中的双极性开关，发现铁电记忆电阻器中的可开关二极管效应受偏振调制肖特基势垒高度和极化耦合界面深能级俘获/去陷阱控制。利用考虑极化效应的半导体理论，发展了一个唯象理论来解释金属/铁电界面的电流-电压行为。这些发现揭示了极化电荷、界面缺陷和肖特基界面之间的相互作用在控制铁电阻开关中的关键作用，为设计性能更高的铁电记忆电阻器提供了指导。该研究成果以“Couplings of Polarization with Interfacial Deep Trap and Schottky Interface Controlled Ferroelectric Memristive Switching”为题发表在Adv. Funct. Mater上。DOI: 10.1002/adfm.202000664。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202000664

11、Applied Catalysis B: Environmental：环保型Na_0.5 K_0.5 NbO₃基压电振动催化:一种高效的相边界催化剂

在各种压电材料中，优良的振动-电转换常常受到限制，因此很难产生由铁电极化激发的高机械化学势，用于先进的催化过程。为此，南昌航空大学刘志勇教授联合西北工业大学樊慧庆教授提出了一种Li改性Na_0.5K_0.5NbO₃（NKN）材料的相边界以提高压电催化活性，并系统研究了其组成、相结构、电化学和催化性能之间的关系。在正交相和四方相共存的LNKN6（6mol%Li掺杂NKN）中表现出了优异的压电催化性能，对有机污染物的降解具有良好的重复性和普遍适用性。反应速率常数为25.16×10^-3min^-1，是原NKN的3.20倍。用Landau-Ginsburg-Devonshire唯象理论和力产生电子空穴的转移效率证实了压电催化活性的增强，并由此推测了超声振动驱动压电催化的适宜机理。这项工作为提高压电催化剂的催化效率提供了一种替代策略，NKN基压电材料的高活性在环境修复中具有重要的应用价值。该研究成果以“Vibration catalysis of eco-friendly Na_0.5K_0.5NbO₃-based piezoelectric: An efficient phase boundary catalyst”为题发表在Appl. Catal. B Environ.上。DOI: 10.1016/j.apcatb.2020.119353。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0926337320307682

本文由科研百晓生供稿。

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