设计新型铁电材料？你的脑洞够大吗？

材料牛注：说到铁磁体，想必大家都不陌生。铁电体的话，你了解吗？其实我们生活中很多地方都用到了铁电体。铁电体的电畴壁对于铁电材料意义非凡，甚至可以说决定了材料的性能。但这是为什么呢？

磁场中的铁磁体--如罗盘针--因其磁极化作用会发生转动。铁电体与之相似，但作用场为电场。由于外加电场能够改变材料的电极化性能，因此铁电体在存储装置--如交通卡--方面的应用前景广阔。形变能够带来极化，极化也会产生形变，这就是压电现象。铁电体应用于不同的传感器，能制造出重要的“智能材料”，如探针显微镜和超声仪器，甚至还可以制成纳米发电机。

宾夕法尼亚大学的化学家们正在参与研究新一代铁电材料。近日，他们在Nature上发表了一篇文章，证明了钛酸铅的多尺度模拟给铁电材料极性变化以重大启发。

这个数学模型不是由实验总结而来，而是由量子力学原理推导得出的。这一模型用于寻找和设计新型、具有特定功能的铁电材料。

尽管已经有了一些商业应用，铁电材料仍然存在一些问题。我们知道，铁电材料中，不同的区域有不同的极化情况，称为电畴。电畴的边界产生相互作用，称为电畴壁。电畴壁就是存在的问题之一。

Andrew M. Rappe教授与他的同事--Shi Liu和Shi Liu--共同负责这项课题。Rappe团队模拟铁电体--将钛离子嵌入氧离子的六角八面体“笼”中。特定电畴的极化情况取决于钛离子的移动方向。

Andrew M. Rappe教授说：“若施加一个与金属原子极化方向相反的电场，这些原子会重新排列，最终与电场一致。与此同时它们也会受到临近原子的斥力，因此，需要较大的能量保持电畴内原子的排列状态。这也表明，原子排列方向的偏转通常发生在电畴壁处。此处的原子排列上下左右不一，与电场方向完全不同，它们受到两个电畴的共同作用。”

电畴壁“移动”像山火蔓延一样。与电场方向一致的电畴通过改变邻近的原子，逐渐地扩大范围。与火不同的是，移除电场后，电畴壁能很容易地停止移动。这一特点对于铁电材料的应用尤为重要，因为电场变换的间隙，材料必须保持稳定。

Rappe团队用量子力学原理校准了数学模型，并首次证明了这一模型能够精确地将电场强度和畴壁移动速度关联起来。

Andrew M. Rappe教授还说：“这是关键的一点。有些应用需要畴壁慢速移动，有些则需要快速移动。如果你不知道畴壁为何移动和如何移动，就不能对新材料进行选择，更不能将其设计成特定的畴壁移动速度。”

科学家们用之前的模型预测了材料的电滞回线。电滞回线图表明了将材料从一个方向极化到另一个方向，再返回原状态所需要的能量。实验数据和预测值的对比结果证明了Penn组方法的正确性。

这一结果强调了热波动是畴核形成的原因，畴核处的极化速度发生了变化。增加电场强度会减小反应所需的成核尺寸，因此更易进行。

缺陷的存在，以及晶体内部的混乱排列不是阻止电畴壁加速移动的原因，而是加速后又减速的原因。量子力学理论表明，设计铁电元件，无需制备高纯度的晶体。

Rappe团队的模拟结果表明，一个电畴转变为另一个的过程与相邻两个电畴的具体取向无关。而Penn团队早期的研究假设：相邻电畴的取向角度不同（如90°和180°），那么电畴的转变机制也不同。这些模拟结果证明所有电畴壁的移动都有一个通用的机制。

将这一现象投入到压电器件的应用上，需要保证材料能进行精确和可重复的形变。例如，制造一种铁电材料，用来调节智能手机相机的透镜光圈，循环稳定性是其中的重要一环。

材料基因组计划是一项致力于使用理论计算开发新材料的项目，Rappe团队的研究方向与此计划保持一致。这些举措对于将新的压电材料进行推广应用，或者探寻有着特异性能的新材料均有着重要的意义。

Rappe介绍道，“设计材料的第一步，就是理解物理概念，分析工作机制，这些我们都已经做到了。本课题启发我们开始研究基于电畴壁器件的设计工作。许多材料的电畴壁可以导电，然而块体材料难以实现。因此，可以施加一个电场使畴壁移动，就像移动材料内部的电线。你也可以想象，一叠这样的材料，只有全部排成一行，甚至组成一个回路，或者嵌入一些逻辑元件才能够导电。”

论文地址：Intrinsic ferroelectric switching from first principles

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