厦门大学化学化工学院魏现奎教授课题组在《Applied Physics Reviews》13, 011416, (2026)发表最新研究，通过分析HAADF-STEM图像中A位原子柱的周期性强度调制，成功揭示了四重调制钙钛矿锰氧化物中准二维铁电性与多态极化开关的深层结构起源。这项研究是课题组在《Science Advances》11, eadx3747, (2025)上N-H共注入诱导准二维铁电性工作的深化，为在原子尺度快速识别新型铁电材料提供了创新方法。
一、研究脉络：从”双离子调控”到”图像解密”
2025年，课题组在《Science Advances》报道了通过NH₃等离子体处理实现N-H共注入的创新工作。这种”双离子手术”在La₀.₇Sr₀.₃MnO₂.₇₅薄膜中创造出具有”1T-3O”重复单元的四重调制新相，并首次发现其准二维铁电特性——极化能够以外电场驱动的离散”阶梯”模式逐层切换。然而，这种多态铁电性的原子结构基础仍有待阐明。利用HAADF-STEM成像技术。他们发现，在四重调制相的图像中，A位原子柱亮度呈现周期性衰减，这一细微变化可能隐藏着铁电结构的关键信息。
二、核心发现：HAADF图像中的结构密码与多态铁电
图1. LSMO薄膜BM” 相的四重结构调制。(a) [010]p方向结构模型，1T-3O层交替堆叠；(b) XRD显示PV与BM” 相差异；(c) SAED超结构衍射斑点；(d) HAADF原子像；(e) 伪彩图显示A位强度周期性降低；(f) 强度分布曲线，降低4.63%。
研究聚焦于NH₃等离子体处理获得的La₀.₇Sr₀.₃MnO₂.₇₅薄膜。HAADF图像分析显示（图1），位于MnO面下方的La/Sr-O原子面（A位柱–以红色箭头标记）出现约4.6%的周期性强度衰减并显示为暗条纹对比度，且该衰减与四面体层区域约13.8%的A-A层间扩张同步发生。
图2. LSMO多态铁电性。(a) iDPC图像叠加氧极化箭头; (b, c) Oₐ位移分布与曲线，最大44.5 pm；(d) cₚ/aₚ调制；(e) [110]p结构模型；(f) VPFM振幅/相位图显示极化翻转；(g) 电滞回线；(h) 阶梯式振幅曲线，单步5.5 pm，对应逐层翻转。
iDPC-STEM原子尺度测量进一步揭示（图2），连接四面体与八面体单元的关键氧原子发生约44.5pm的非对称位移，证实了沿生长方向的强烈极性畸变。压电响应力显微镜测试提供了铁电性的直接证据。薄膜展现出可逆的面外极化翻转和典型铁电电滞回线（图2f-g）。特别重要的是，精细电压扫描中观察到的”阶梯式跳跃”响应（图2h），复现了前作中的多态切换行为，表明极化以单个”1T-3O”结构块为单元进行翻转。
三、机理揭示：三重因素协同调控衬度调制
为阐明A位HAADF衬度调制的普适性机理，团队进行了系统的图像模拟研究。
图3. OOR和价态对ABO₂.₇₅的影响。(a) 无OOR时SCO与STO对比；(b) SCO含OOR时δOz效应；(c, e, g) SCO、LCO、LSMO结构模型；(d, f, h) 含/不含OOR强度对比。
模拟结果表明在Ti基化合物中两大因素起主导作用：四面体层导致的层间膨胀率，以及相邻AO原子面上的极性氧位移。然而，在含Mn或Co的复杂体系中（图3），必须引入第三个关键因素——氧八面体旋转。只有当层间膨胀（约13.8%）、极性氧位移（约40pm）和氧八面体旋转三者协同作用时，模拟结果才能完美复现实验观察。
图4. BM” 相A位电子传播路径 (t=25 nm)。(a-c) STO、SCO、LSMO无OOR时的Col1-Col4传播；(d, e) SCO和LSMO含OOR时的路径；(f) 柱状图显示在有/无OOR的材料中，不同原子平面上强烈散射电子的比例。
为了获得更深入的见解，我们分析了不同材料中A位柱的电子传播路径（图4），统计结果显示，在nOOR为前提条件下，AO层的电子偏转起主要作用。相比之下，当必须考虑OOR时，电子偏转主要受BO层控制，BO原子面成为散射主导因素。
四、研究意义：方法创新与物理洞见
本工作与前期的《Science Advances》研究形成了完整的科研闭环：
1.深度呼应：两篇工作共同证实了四重调制LSMO新相的准二维、多态铁电特性。前作发现现象，本作阐明机理，揭示了层间膨胀、氧位移和八面体旋转这一结构自由度组合的决定性作用。
2.方法创新：确立了通过HAADF图像中A位强度调制来辅助判断复杂氧化物晶格极性的新范式。这种基于常规表征技术的分析方法，为快速筛选具有潜在新奇物性的”ABO₂.₇₅”型材料提供了实用工具。
3.应用前景：研究表明，通过拓扑化学转化手段可以精准设计具有分层准二维特性的功能氧化物。这类材料的多稳态、低维铁电行为，为发展高密度、低功耗的多值存储与神经形态计算器件提供了理想材料平台。
从原子尺度离子操控到图像信息解码，这项研究不仅深化了对强关联氧化物中结构-物性耦合的理解，也为功能材料设计与表征开辟了新途径。
论文信息：
标题：Asymmetric oxygen displacement-induced contrast modulation and multi-state ferroelectricity in distorted perovskite oxides
期刊： Applied Physics Reviews (2026)
DOI：https://doi.org/10.1063/5.0310748
第一作者：刘枫、王淇、王毅
通讯作者：魏现奎（厦门大学）
