（1）铁电材料中的极性拓扑结构及物性

（2）Hf基铁电材料的结构与物性

（3）电介质储能特性

辽宁省自然科学基金A类青年项目，铁电材料中极性拓扑结构的结构性能关系研究，2026040002-JH6/1011，100万元，项目负责人，2026-2027

国家自然科学基金面上项目，铁电薄膜中极性斯格明子动力学的相场模拟与原位透射电子显微学研究，52471022，62.4万元，项目负责人，2025-2028

兴辽英才计划青年拔尖人才项目，极性拓扑畴的三维极化结构及动力学研究，XLYC2023020，50万元，项目负责人，2023-2026

国家自然科学基金优秀青年项目，新型铁电拓扑畴结构的计算设计与原子尺度结构特性，52122101，200万元，项目负责人，2022-2024

中国科学院青年创新促进会会员项目，2021187，80万元，项目负责人，2021-2024

重要科研成果:

一、相场模拟

　　基于热力学唯象理论，与美国华盛顿大学的研究人员（李江宇教授和李智豪博士）合作编写针对铁电薄膜的相场模拟软件，并应用于铁电薄膜畴结构的研究课题中。其中具有代表性的研究成果有：

　（1）利用相场模拟预测SmScO₃衬底上超薄PbTiO₃薄膜中存在极性拓扑半子，进一步预测薄膜被电极夹持条件下，半子演化成布洛赫点，且伴随有负电容效应，利用相场模拟预测(111)取向的超薄PbTiO₃薄膜中出现极性手性浮子。这些理论预测结果均被透射电镜实验证实，系列研究成果发表于Nature Materials 19, 881 (2020)、Nature Communications 15, 3949 (2024)和Advanced Materials 38, e10518 (2026)）。详见金属所主页报导：铁电材料中发现周期性半子晶格、铁电材料中发现极化布洛赫点、铁电材料中发现多态极性浮子结构

图释：(a-c)相场模拟预测的极性半子和反半子的极化构型；(d-g)半子晶格的透射电镜实验结果；(h)半子晶格的示意图。

图释：a-d 相场模拟预测不同上电极厚度条件下半子向布洛赫点的演化。e和f 两种布洛赫点的局域极化结构图。g-k 布洛赫点的透射电镜实验观察。

图释：极性手性浮子的理论预测与实验证实。(a-d) 模拟结果。(e-h) 实验结果。(i) 8个浮子态的示意图。

（2）在相场模型中引入电学Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI），解释了超薄BiFeO₃薄膜中的斯格明子晶格的形成机理；引入应力与极化梯度的双二阶耦合项，对PbTiO₃/SrTiO₃多层膜中的手性斯格明子泡泡的形成机理进行解释；引入挠曲电效应，解释了PbZrO₃薄膜中位错阵列交汇处“反刺猬畴”的形成机理。相关成果发表于Nature Nanotechnology 20, 366 (2025)、Physical Review B 113, 014118 (2026)和Nature Communications 17, 3882 (2026)。此外，还利用相场模拟解释了中心畴结构和周期性极化波的形成机理[Science Advances 3, e1700919 (2017)，Science Advances 7, eabg5503 (2021)]以及斯格明子泡泡的反常周期-厚度关系[Nature Communications 14, 3376 (2023)]等。

二、第一性原理计算

　　采用基于密度泛函理论的第一原理计算方法，对铁电薄膜的界面和畴壁结构等科学问题进行研究。其中具有代表性的研究成果有：

　　（1）结合唯象理论与定量电子显微分析证明逆挠曲电效应导致PbTiO₃中90°畴壁出现晶格突变现象，并用第一性原理计算确定材料的挠曲电系数（Acta Materialia 191,158,2020）。

图释：(a-c)对PbTiO₃中90°畴壁的高分辨像(a)进行定量电子显微分析提取晶格应变(b,c)，并用唯象理论拟合，证明逆挠曲电效应导致晶格突变(c)；(d-g)第一性原理计算研究PbTiO₃中180°和90°畴壁的原子结构，计算出挠曲电系数；(h-k)逆挠曲电效应对180°和90°畴壁结构影响的示意图。

（2）利用第一性原理计算研究了Hf_0.5Zr_0.5O₂中的反相畴界，解释了非极性材料中反相畴界诱导铁电性的实验现象[Nature Communications 16, 8842 (2025)]。

图释：Hf_0.5Zr_0.5O₂单晶薄膜中反相畴界和氧空位诱导的铁电性。(a) 透射电镜截面像；(b) X射线摇摆曲线表明样品具有良好的单晶性；(c) 电滞回线表明样品具有良好的铁电性；(d) 透射电镜平面像表明样品中存在大量的面缺陷；(e, f) 厚度为1个单胞的反相畴界的高分辨像(e)和第一性原理计算结果(f)；(g-i) 厚度为3个单胞的反相畴界的高分辨像(g)、第一性原理计算结果(h)和模拟高分辨像(i)。

    在Science、Nature Materials、Nature Nanotechnology等期刊发表100余篇论文，其中共同第一/通讯作者论文39篇，包括1篇Nature Materials、3篇Nature Communications、1篇Advanced Materials、1篇Advanced Functional Materials、9篇Acta Materialia等。

注：#代表同等贡献作者，*代表通讯作者

(1) Wang, Y. J.; Hong, Z.; Tang, Y. L.; Zhu, Y. L.; Ma, X. L.* Thermal-activated motion of polar skyrmion in oxide ferroelectrics. Acta Materialia 2026, 304, 121783.

(2) Guo, X. W.#; Zou, M. J.#; Tang, Y. L.; Zhu, Y. L.; Wang, Y. J.*; Ma, X. L.* Multistate Polar Chiral Bobbers in Oxide Ferroelectrics. Advanced Materials 2026, 38, e10518.

(3) Geng, W. R.#; Wang, Y. J.#; Zhu, Y. L.; Zhang, S.; Ma, H.; Tang, Y. L.; Tuo, S.; Ma, X. L.* A stable monoclinic variant and resultant robust ferroelectricity in single-crystalline hafnia-based films. Nature Communications 2025, 16, 8842.

(4) Wang, Y. J.#; Feng, Y.-P.#; Tang, Y.-L.; Zhu, Y.-L.; Cao, Y.; Zou, M.-J.; Geng, W.-R.; Ma, X.-L.* Polar Bloch points in strained ferroelectric films. Nature Communications 2024, 15, 3949.

(5) Wang, Y. J.; Tang, Y. L.; Zhu, Y. L.; Ma, X. L.* Entangled polarizations in ferroelectrics: A focused review of polar topologies. Acta Materialia 2023, 243, 118485.

(6) Gong, F. H.#; Tang, Y. L.#; Wang, Y. J.#; Chen, Y. T.#; Wu, B.; Yang, L. X.; Zhu, Y. L.; Ma, X. L.* Absence of critical thickness for polar skyrmions with breaking the Kittel's law. Nature Communications 2023, 14, 3376.

(7) Wang, Y. J.#; Tang, Y. L.#; Zhu, Y. L.*; Feng, Y. P.; Ma, X. L.* Converse flexoelectricity around ferroelectric domain walls. Acta Materialia 2020, 191, 158-165.

(8) Wang, Y. J.#; Feng, Y. P.#; Zhu, Y. L.*; Tang, Y. L.; Yang, L. X.; Zou, M. J.; Geng, W. R.; Han, M. J.; Guo, X. W.; Wu, B.; Ma, X. L.* Polar meron lattice in strained oxide ferroelectrics. Nature Materials 2020, 19, 881-886.