近日，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心唐云龙研究员团队在钙钛矿铁电超晶格界面应变弛豫机制与极化拓扑结构调控研究中取得重要突破。他们发现，生长于单晶NdGaO₃衬底上、名义上受压应变的(PbTiO₃)10/(SrTiO₃)₅超晶格体系中存在一类通过位错介导的“过弛豫”应变调控机制，能实现名义压应变(约-1.0%)到实际拉应变(约0.7%)的最终应变状态，进一步实现了极化涡旋阵列的构筑与调控。该成果于2026年6月21日以“Over-Strain-Relaxation State and Dislocation-Governed Polar Topologies in Ferroelectric Superlattices”为题发表于Advanced Materials杂志。

铁电材料中的极化拓扑结构(如极化涡旋、通量闭合畴、极化斯格明子等)因其在低功耗、高密度信息存储领域的应用潜力而备受关注。长期以来，学界普遍认为，周期性极化拓扑结构的形成依赖于拉应变调控。相比之下，在压应变衬底上外延生长的铁电薄膜(如PbTiO₃)往往倾向于形成纯粹的面外极化：如何在压应变条件下诱导和调控极化拓扑结构，始终是一个悬而未决的难题。

研究团队选择经典的PbTiO₃/SrTiO₃超晶格体系，在NdGaO₃(NGO)衬底上开展了系统研究。该体系在室温下的名义晶格失配约为-1.0%(压应变)。通过高分辨X射线衍射二维倒易空间分析和原子尺度透射电子显微学研究，他们发现在NGO衬底与超晶格薄膜的界面处形成了周期性的a⟨100⟩失配位错阵列，位错间距约为23纳米，而非理论预测的39纳米：位错密度远超理论值。这一反常现象是热失配动力学与铁电相变共同驱动的界面应变“过弛豫”机制作用的结果。在720°C的生长温度下，PbTiO₃的晶格参数因热膨胀效应和居里温度附近的相变而发生突变，导致衬底与薄膜之间的名义失配量从室温的-1.0%急剧增大至约-2.3%。这一更大的失配驱动了更高密度的界面位错阵列形成，从而“过度”释放了室温的名义压应变。当样品冷却至室温后，这组23纳米间距的a⟨100⟩位错阵列将超晶格锁定在了一个等效拉伸应变约+0.7%的状态。

结合原子尺度极化分析和相场模拟，研究团队进一步揭示了“过弛豫”对极化涡旋阵列的精细调控作用。界面失配位错引入的局域应变场，会显著影响底层PbTiO₃层中的极化排布，驱动极化涡旋向周期性偶极子波转变。

这项研究阐明了在名义压应变衬底上实现铁电极化拓扑结构构筑与调控的原理。它不仅揭示了一种全新的“过弛豫”应变调控态，阐明了“热膨胀—铁电顺电相变”协同实现外延薄膜应变工程调控的新机理；更为重要的是，它展示了位错——这种传统上被视为有害的晶体缺陷——可以成为一种调控极化拓扑态的有效工具。

该研究结果提示，对涉及热处理过程中具有相变发生的晶体界面（无论是共格与半共格），其界面附近的应变状态及力学、理化特性都需特别深入分析，可能伴随新界面物性的产生。

该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、辽宁省“兴辽英才计划”、辽宁省自然科学基金等的资助。

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.73779

图1.根据线性热膨胀理论计算的外延薄膜面内晶格参数、失配量变化以及高空间分辨率能谱元素分布图，显示在NGO衬底上制备的高质量PTO/STO超晶格周期结构。

图2. 原子尺度极化矢量分析与相场模拟，展示极化涡旋阵列及位错诱导的涡旋-偶极子波转变。