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本網(wǎng)訊（國(guó)際有序物質(zhì)科學(xué)研究院）近日，我校國(guó)際有序物質(zhì)科學(xué)研究院湯淵源教授在Chemical Society Reviews上發(fā)表了題為“PFM (Piezoresponse Force Microscopy)-aided design for molecular ferroelectrics”的長(zhǎng)文綜述。南昌大學(xué)為唯一完成單位。

作為鐵磁性材料的電等價(jià)物，鐵電材料擁有宏觀(guān)自發(fā)電極化，表現(xiàn)出電滯回線(xiàn)等特性，在存儲(chǔ)、能量轉(zhuǎn)換、開(kāi)關(guān)、傳感等方面得到廣泛應(yīng)用。雖然目前廣泛使用的是無(wú)機(jī)鐵電材料，但近年來(lái)分子鐵電材料的發(fā)展已經(jīng)可以在關(guān)鍵性能上比肩無(wú)機(jī)鐵電體，展現(xiàn)出巨大的潛在應(yīng)用。此外，分子鐵電材料擁有無(wú)機(jī)鐵電材料無(wú)法具備的特性：如相變過(guò)程中巨大的熵變、單一手性、光異構(gòu)性以及性能上的低聲阻抗等。近年來(lái)，關(guān)于分子鐵電材料的研究呈現(xiàn)出井噴式發(fā)展，這得益于兩方面原因。一方面，在理論上，經(jīng)過(guò)二十多年的研究和探索，熊仁根教授提出了“鐵電化學(xué)”學(xué)科，有效指導(dǎo)了分子基鐵電體的合理設(shè)計(jì)。另一方面，新的表征技術(shù)特別是壓電力顯微鏡(PFM)技術(shù)的應(yīng)用，讓鐵電性的證明更加簡(jiǎn)便快捷。本文闡述了PFM在分子鐵電材料設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化研究中巨大的輔助作用。

典型PFM系統(tǒng)和PFM程序

PFM利用鐵電材料的逆壓電效應(yīng)成像，其中，振幅參數(shù)展示了鐵電疇壓電響應(yīng)的大小，相位參數(shù)反映疇的極化方向。此外，通過(guò)PFM探針可以向樣品原位施加電場(chǎng)，檢測(cè)樣品的極化翻轉(zhuǎn)行為、調(diào)控疇結(jié)構(gòu)等。具體來(lái)說(shuō)，PFM在分子鐵電材料合成設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1. PFM可以無(wú)損的表征鐵電體的疇結(jié)構(gòu)并檢測(cè)其極化翻轉(zhuǎn)行為。其優(yōu)勢(shì)是可以測(cè)試微區(qū)范圍，對(duì)樣品尺寸沒(méi)有要求，可以直接測(cè)試薄膜樣品，并且樣品不需要經(jīng)過(guò)特殊處理。若鐵電性的測(cè)定依賴(lài)于宏觀(guān)的電滯回線(xiàn)測(cè)量的測(cè)量，將是一項(xiàng)耗時(shí)且復(fù)雜的任務(wù)。一般包括以下步驟:生長(zhǎng)大晶體，找到極軸，拋光處理，測(cè)量。基于PFM的疇結(jié)構(gòu)和疇翻轉(zhuǎn)測(cè)量大大縮短了鐵電性證明的時(shí)間成本。

過(guò)去和現(xiàn)在分子鐵電體發(fā)現(xiàn)過(guò)程的比較

2. PFM成像可以揭示鐵電疇結(jié)構(gòu)與晶體對(duì)稱(chēng)性之間的關(guān)系。鐵電體的疇結(jié)構(gòu)決定于順電相和鐵電相的晶體的對(duì)稱(chēng)性，所以疇結(jié)構(gòu)特別是疇的形態(tài)反映了晶體的對(duì)稱(chēng)性破缺行為。通過(guò)分析PFM面內(nèi)和面外的振幅和相位信號(hào)，還可以定出鐵電疇極化方向的種類(lèi)，為晶體結(jié)構(gòu)解析提供依據(jù)。

3. 通過(guò)PFM探針在樣品表面施加電壓可以研究疇生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)。疇生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)與鐵電器件的速率和功耗相關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用之前需要厘清。

4. 可以研究疇壁帶電性和導(dǎo)電性、磁電耦合、拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu)等。

5. 測(cè)試樣品的微區(qū)壓電性能。對(duì)壓電響應(yīng)的測(cè)量一方面可以證明晶體結(jié)晶在非心點(diǎn)群（點(diǎn)群432除外），另一方面揭示材料壓電性能的好壞。

PFM表征輔助下鐵電材料的研究藍(lán)圖

本文系統(tǒng)的總結(jié)了PFM在協(xié)助高性能分子鐵電體設(shè)計(jì)方面的重要作用，將進(jìn)一步促進(jìn)它們?cè)诠鈱W(xué)、電子學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

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https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/cs/c9cs00504h/unauth#!divAbstract

編    輯：段宛辰

責(zé)任編輯：許  航