铁性晶体中的畴壁具备许多有别于畴本身的独特物理性质，尤其是当极性畴壁出现于非极性材料中时，这种独特性会被进一步放大，这使得对其性能的开发和应用拥有广阔的前景。近日，西安交通大学电信学部电子学院张楠教授团队研究发现，反铁电锆钛酸铅单晶中的反相畴壁的具有宏观极性，且其密度、厚度和极性可被应力和电场有效调控。
研究发现，室温的锆酸铅基晶体的自发极化↑↑↓↓排列形成反铁电结构无宏观极性。晶体中还存在着反相畴壁(Antiphase boundary, APB)，畴壁两侧的畴(Domain 1和Domain 2)的平移对称性被打破。畴壁一般为二维平面，厚度仅为几个单位晶胞，因此难以使用传统手段进行结构表征，学界对反相畴壁的认识、特别是对畴壁的原子结构较为欠缺。本研究首先基于分子动力学模拟，发现以↑↑↓型亚铁电结构作为基本单元的畴壁结构较为稳定——这丰富了对反铁电晶体中畴壁的认识，也从微观尺度预测到这种畴壁可能具有极性。
研究团队基于二次谐波成像(Second-harmonic generation microscopy, SHGM)确认了畴壁的宏观极性。在实验中发现，单晶样品上的反相畴壁会产生二次谐波信号，通过对信号进行定量分析，确认畴壁具备宏观极性。在垂直于畴壁方向对单晶施加压力后，畴壁产生的二次谐波信号显著增强。
研究团队对单晶开展了漫散射实验，厘清了畴壁的应力调控机理。畴壁对长程有序的影响使得超结构衍射峰附近出现漫散射细线，通过结构建模和散射强度仿真拟合，得到了畴壁密度信息。研究发现，对单晶施加压力后，垂直于压力方向的畴壁密度显著增大，畴的平均尺寸减小，这从微观尺度阐释了应力对畴壁和畴结构的调控规律。
研究团队在上海同步辐射光源BL02U2线站开展了加电场的原位单晶漫散射实验，发现在直流电场作用下，出现了新的超结构衍射峰。基于结构建模和仿真，确认该衍射峰来源于↑↑↓型亚铁电结构。研究表明，畴壁在平行电场作用下变宽、极性增强。
这一研究工作为铁性材料中功能畴壁的结构调控、性能开发和应用开辟了新的道路。研究工作以《非极性材料中极性畴壁的调控》（Tuning of Polar Domain Boundaries in Nonpolar Perovskite）为题发表于《先进材料》（Advanced Materials）期刊。张楠教授为论文的通讯作者，第一作者为西安交通大学博士生安哲毅，共同通讯作者为日本千叶大学的Hiroko Yokota博士和捷克科学院的Marek Pa?ciak博士，合作者还包括西安交通大学任巍教授、加拿大西门菲沙大学叶作光教授和英国牛津大学A. M. Glazer教授等。论文得到了中国国家自然科学基金和111国家引智计划等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202207665
张楠教授团队(https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/nzhang1)多年来运用国际领先的中子和X射线衍射和散射技术，对铁性功能钙钛矿晶体材料的多尺度晶体结构进行深入探究，致力于解析晶体结构与物理性能的深入联系，并应用于材料改性和性能开发。
