近年来，铁电体因在信息存储、能量转换、高性能催化等领域具有广阔的应用前景而得到了广泛的研究。具有铁电拓扑结构的纳米铁电体有望在下一代电子器件中实现高密度的非易失性存储。然而，突破尺寸效应的限制，精确设计固体结构以诱导铁电有序极富挑战性。北京科技大学固体化学研究所邢献然教授团队在量子顺电的先兆铁电体SrTiO3中，发现了纳米尺度下本征应变驱动的反常铁电畸变，该方法充分利用了纳米材料的固有特性，获得了超细铁电纳米畴，为实现超高密度信息存储与纳米器件开发提供了新的设计策略。

图1（a）SrTiO3纳米颗粒的高分辨透射电镜图像；（b）几何相位分析应变结果；（c）SrTiO3的铁电滞回线；（d）STEM图像；（e）SrTiO3纳米颗粒的极化有序。

本征中心对称的先兆铁电体SrTiO3具有量子顺电特性。本研究发现，纳米化引入了与形状强相关的不均匀三维应变，通过PFM确定应变SrTiO3纳米颗粒的铁电行为，并在STEM下观测到了头尾相接的90°超细铁电纳米畴，宏观铁电有序指向纳米颗粒短边方向。（如图1所示）

图2 （a）SrTiO3的拉曼振动模式变温谱；（b）IDPC-STEM结果及（c）示意图；（d）不同应变条件下Ti原子位移的DFT计算及（e）相应的结构模型图

实验发现，SrTiO3中发现的这种铁电行为可以保持到500K，IDPC-STEM揭示了中心Ti原子沿对角线方向的位移，与以往报道的薄膜中铁电四方结构不同，这也是SrTiO3中铁电性和90°纳米畴形成的局域结构起源。DFT计算进一步证明了应变加强带来的极化方向扭转，也对应着90°畴的形成（如图二所示）。这种超细纳米畴的自发形成为实现高密度的铁电非易失存储提供了条件，也为纳米铁电有序的诱导提供了一种简单快捷的思路。

该成果以“SrTiO3中本证应变诱导的铁电有序和超细纳米畴”（Intrinsic-strain-induced ferroelectric order and ultrafine nanodomains in SrTiO3）为题，近期发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2024，121(25): e2400568121）。论文的第一作者为固体化学所博士生张佩曦，共同通讯作者为北京科技大学固体化学所邢献然教授、李强副教授以及桂林理工大学匡小军教授。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2400568121

该工作与国内相关单位合作完成，得到国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划等项目资助。