铁电性是一种高度依赖于晶体结构的性质，仅存在于极点群中，拥有良好的热释电性、压电性等性能，同时还可和其他铁性序参量关联耦合，因此铁电材料表现出非常好的可塑性和应用价值，在下一代逻辑和存储器以及纳米机电系统领域具有广泛的应用。然而由于铁电材料对晶体结构和对称性的严格限制，在钙钛矿氧化物中拥有本征铁电性的材料数量非常有限，大部分钙钛矿氧化物在室温下都表现出氧八面体倾转的正交结构或者高对称的立方结构。因此，极性结构的构建是引入或增强铁电性的主要方法。近期，邢献然教授团队创新性地在钙钛矿CaTiO3薄膜实现了由有序氧空位诱导的显著室温铁电性。薄膜沿[0-11]取向的有序氧空位软化了氧八面体的倾斜，诱导Ti4+沿平面外方向发生偏心位移。相关工作发表在期刊J. Am. Chem. Soc.上。

图 1 原文和摘要

作者团队通过磁控溅射在LaAlO3衬底上制备了具有强室温铁电性的CaTiO3薄膜，其最大和自发极化分别达到68和13µC·cm-2，为迄今为止钙钛矿先兆铁电体的优异水平。倒易空间图和球差电镜分析表明，薄膜中存在bulk-like相和FE相的两相共存。bulk-like相中Ca2+沿[010]方向呈zig-zag排列，极性位移幅度相对较小，且大部分均沿着面内方向分布，极性分量呈反向排列，基本抵消，整个范围内呈现出可忽略的净极化值。而FE相中，Ca2+沿[010]方向线性排列，同时存在沿[0-11]取向的有序氧空位。在氧空位存在的地方Ti-O-Ti键角几乎接近180°，由于氧空位的交替出现导致氧八面体的反向对称倾转被打破，削弱了反铁畸变，同时驱动Ti离子沿着面外方向的偏心位移。反铁畸变的削弱以及Ti4+的偏心位移共同驱动室温大极化的产生。

图2 CaTiO3薄膜的铁电性

综上，该研究通过在CaTiO3薄膜构建氧空位有序，实现了室温极性结构的稳定及大剩余极化的诱导。CaTiO3室温铁电性的突破为探索非极性钙钛矿氧化物薄膜物性提供了一种行之有效的方法，且该方法不受薄膜厚度的限制，同时也为缺陷、结构、物性三者之间的关系提出了一种新的认识。

图3 CaTiO3薄膜极性结构的演变

该成果以"Oxygen-Vacancies-Ordering Triggered Large Ferroelectric Polarization in CaTiO3 Thin Films"为题，近期发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）。论文第一作者为北京科技大学固体化学研究所博士生杨明迪和李姗，通讯作者为固体化学研究所邢献然教授和李强副教授。该工作得到国家自然科学基金的资助。论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c06244.