普通BiFeO₃晶体是一类室温单相多铁材料。由于其无铅强自发极化、高居里温度属性，作为潜在压电材料不仅绿色环保，更有望应用于高温环境的传感与探测，如石化工业等。但其压电系数仅为铅基材料的几十分之一数量级甚至更小；当其薄膜厚度低于30纳米时更会面临严重的“尺寸效应”——界面弛豫与相不稳定性导致压电耦合性能急剧衰退；如何调控超薄尺度下BiFeO₃薄膜的极化特性及增强其压电耦合效应，对研发环境友好微型化压电器件至关重要。

近日，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心材料显微科学研究部科研人员在超薄BiFeO₃薄膜中利用界面应变调控，成功制备并观测到一种过渡相（S相），该相驱动了连续的极化旋转并贡献了高达30 pm/V的压电系数，约为普通菱方相（R相）BiFeO3薄膜四倍。2026年3月13日， Science Advances杂志以“Thickness-confined metastable phase transitions drive large piezoelectricity in ultrathin BiFeO₃”为题发表了该项研究成果。

研究团队利用精密脉冲激光沉积技术在LaAlO₃衬底上高质量外延生长了(BiFeO₃/Ca_0.96Ce_0.04MnO₃)₄多层异质结。他们通过像差校正透射电子显微镜，结合原子尺度极化分析和定量压电测量技术（IDS-PFM），发现该多层膜中BiFeO₃层的晶格和极化参数随厚度演变规律显著区别于单层BiFeO₃薄膜。尤其是当单层BiFeO₃厚度为16个单胞层时，出现了一种低对称性S相，其内部极化矢量发生了明显的旋转，结合IDS-PFM技术发现其压电系数达到传统R相BiFeO₃的四倍以上。相场理论模拟表明，在实验中观测到的过渡相与高密度纳米畴的协同效应增强了上述压电性能。他们还系统揭示了从20个单胞层到8个单胞层厚度范围内，体系依次呈现出周期性R/T混合相-T/S混合相-S/R混合相的完整演化规律，从而确定了新发现的过渡相在优化超薄BiFeO₃薄膜压电性能中起到的关键作用。

该项工作是铁电材料尺寸效应研究的重要进展，创造了一条在超薄BiFeO₃薄膜中集成周期性极化旋转的策略，有望应用于微型化MEMS以及柔性电子器件设计研究。

该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、金属所创新基金等项目的资助。 

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图1. 不同厚度的 (BiFeO₃/Ca_0.96Ce_0.04MnO₃)₄薄膜的原子尺度极化分析以及压电系数统计。（A-C）单层BiFeO₃厚度分别为20、16、8个单胞对应的基于HAADF-STEM图像的二维极化矢量图以及极化示意图；（D）BiFeO₃多层薄膜体系（20单胞、16单胞、8单胞）以及SrTiO₃/BiFeO₃薄膜体系的压电系数统计图。