哈工大全媒体（阚思邈 司洋洋 王舒邈/文 陈祖煌 司洋洋/图）近日，深圳校区前沿学部材料科学与工程学院陈祖煌教授团队联合苏州大学、新加坡科技研究局等单位，通过取向调控在（111）取向的锆酸铅（PbZrO3）外延薄膜中获得了优异的反铁电性能及数字型电致应变响应。研究成果以《锆酸铅（PbZrO3）外延薄膜中的理想反铁电性与高数字型电致应变》（Ideal antiferroelectricity with large digital electrostrain in PbZrO3 epitaxial thin films）为题发表在《自然通讯》（Nature Communications）上，揭示了各向异性反铁电-铁电相变机制，攻克了反铁电薄膜一直存在的剩余极化高、相变路径复杂等难题。该工作为反铁电薄膜器件设计以及高性能数字型电致应变器件的开发提供了全新理论框架与技术路径。
反铁电材料在薄膜形态下常常被铁性序竞争所束缚，铁电/亚铁电/反铁电相共存导致扭曲的电滞回线和较大的剩余极化，严重阻碍了反铁电薄膜在现代纳米电子系统中的应用。在以往的研究中，人们通常认为反铁电薄膜中的亚铁电相难以避免，甚至有些观点认为亚铁电结构才是锆酸铅（PbZrO3）的本征结构，这对反铁电锆酸铅（PbZrO3）材料的认知和应用探究带来极大的挑战。迄今为止，关于反铁电原型材料锆酸铅（PbZrO3）从基本结构到对应电学性能，以及电场诱导结构相变行为机制依然缺乏统一的认识，限制了其在基础科学和应用中的探索。
针对上述问题，团队通过第一性原理计算揭示了反铁电锆酸铅（PbZrO3）的各向异性机制，研究发现当外加电场方向与极化矢量平行时，其相变路径最简、能量壁垒最低。基于反铁电薄膜的原子级设计，沿[111]方向施加电场时，材料通过“一步式”直接切换反铁电-铁电相变，避免了中间态干扰。通过取向调控高质量薄膜外延生长，实现了电场驱动下一步完成反铁电-铁电相变，显著提升响应速度与稳定性，获得了反铁电薄膜标准的方形双电滞回线，饱和极化达60微库仑每平方厘米（μC/cm²），剩余极化接近零，经千亿次（10¹⁰）循环后性能无衰减，颠覆性提高了材料的疲劳极限。
该高质量反铁电薄膜首次实现了0.83%双极性数字型电致应变，响应时间仅为75纳秒，且具备频率不敏感特性，这为高精度微机电系统（MEMS）提供核心材料支持。研究还结合原位同步辐射X射线衍射，解析了电场诱导下铁电相的晶体结构，揭示了数字型应变的结构起源。团队通过理论和实验的相互验证，深化了对反铁电材料本征行为的理解，更为设计高性能数字机电系统提供了理论依据和新的研发思路。
锆酸铅（PbZrO3）反铁电-铁电相变的原子模型
(111)取向锆酸铅（PbZrO3）薄膜的电学特性
反铁电-铁电相变过程中的机电响应
哈工大深圳校区为论文第一完成单位。深圳校区司洋洋博士、苏州大学博士研究生范宁波、中国科学技术大学董永齐副研究员、新加坡科技研究局博士研究生叶振为论文共同第一作者。深圳校区陈祖煌教授、苏州大学许彬教授和新加坡科技研究局刘华俊研究员为论文共同通讯作者。北京科技大学邓世清教授和中国科学技术大学罗震林教授、印度科学学院苏吉（Sujit Das）教授和美国阿肯色大学洛朗（Laurent Bellaiche）教授等参与相关研究工作。该研究工作获得了国家自然科学基金面上项目和深圳市科技创新项目的支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-59598-1
