摘要：铁电材料是一类具有自发极化且极化可在外电场下可逆切换的功能材料，因其优异的非易失性、低功耗和高速度等特性，被广泛应用于非易失性存储器、传感器及新型电子器件等领域。与传统钙钛矿结构铁电材料相比，新兴层状铁电材料在实现极限尺寸微缩方面展现出独特优势，尤其在构建单元

铁电材料是一类具有自发极化且极化可在外电场下可逆切换的功能材料，因其优异的非易失性、低功耗和高速度等特性，被广泛应用于非易失性存储器、传感器及新型电子器件等领域。与传统钙钛矿结构铁电材料相比，新兴层状铁电材料在实现极限尺寸微缩方面展现出独特优势，尤其在构建单元胞尺度铁电畴方面具有潜力。

然而，传统铁电材料的畴结构尺寸通常受限于应变调控和电边界条件，其最小畴宽通常在数十纳米量级，难以满足极限缩尺度下的信息单元集成需求，因而在材料结构设计、畴壁能控制和极化翻转机制等方面带来了重大挑战。

成果简介

有鉴于此，韩国科学技术院Siyoung Q. Choi团队和韩国成均馆大学Woo Seok Choi, Jaekwang Lee团队携手在Nature Materials期刊上发表了题为“Sub-unit-cell-segmented ferroelectricity in brownmillerite oxides by phonon decoupling”的最新论文。

该团队设计并制备了一种具有交替排列氧八面体/四面体层的 brownmillerite 结构薄膜，成功实现了可控的单元胞尺度铁电畴结构。利用原子尺度成像和原位透射电子显微镜技术，研究人员首次直接观测到了亚单元胞分段的极化结构，并对其翻转特性进行了系统分析。

进一步通过第一性原理计算证实，该结构中氧八面体与四面体之间的声子模式相互解耦，其中局域化的四面体声子有助于稳定局部极化，从而支撑了单元胞宽度的铁电畴形成。这一工作不仅突破了传统畴结构尺寸的限制，显著提高了铁电器件在高密度信息存储领域的可集成性，也为基于声子调控设计新型功能材料提供了理论依据与技术路径。

研究亮点

（1）实验首次在 brownmillerite 结构氧化物中发现了单元胞尺度可切换的铁电畴，得到了亚单元胞分段的极化结构。这种结构由交替排列的 BO₆ 八面体和 BO₄ 四面体层构成，展现出独特的铁电特性，是目前已知极限尺度铁电畴之一。

（2）实验通过原子分辨成像和原位透射电子显微镜技术，直接观测到了该铁电畴的形成与切换行为，验证了其极化的可控性与稳定性。

（3）结合第一性原理计算，研究进一步揭示了 brownmillerite 中的氧八面体和氧四面体声子模式相互解耦，这种声子解耦机制使局域化的四面体振动得以稳定存在，从而支撑亚单元胞极化结构的形成与维持。

（4）研究发现，这种基于四面体声子局域化所稳定的极化结构在原子尺度上具有可切换性，为实现超高密度非易失性存储器件提供了全新的材料候选和物理机制基础。

图文解读

图1：Brownmillerite 结构 ABO₂.₅ 中可切换 BO₄ 四面体所表现出的独特电极化特性。

图2：SrFeO₂.₅ 和 CaFeO₂.₅ 中 FeO₄ 四面体层的可视化。

图3：外延 SrFeO₂.₅ 和 CaFeO₂.₅ 薄膜中稳定且可切换极化的验证。

图4：极性 SrFeO₂.₅ 中的声子解耦现象。

图5：Brownmillerite 结构中亚晶胞分段极化的验证。

结论展望

从潜在应用的角度来看，研究团队探索了在四面体层面实现亚单元胞宽度极化用于信息存储的可行性，并通过器件制备与建模进行验证。研究人员制备了厚度约为30纳米的 SrFeO₂.₅ 薄膜存储器件，并评估了其器件特性。在铁电电容器和铁电薄膜晶体管中观察到极化翻转引起的器件行为显著变化。功率–电压和电流–电压曲线的变化进一步证明了 brownmillerite 铁电材料在非易失性存储应用中的潜力。

尽管当前实验上的微型化存在技术限制，但器件建模结果表明，即便是单个单元胞宽度的结构在未来也有望用于存储应用（见补充图24与25）。因此，基于单元胞宽度极化的器件有望在未来非易失性存储技术中发挥关键作用。为实现实用化，还需进一步研究埃级尺度下的极化稳定性和畴结构调控。尽管超精细电极设计仍具挑战，但本研究成果为高密度、高集成度的存储器件提供了新的发展契机。

总而言之，本研究在 brownmillerite 氧化物外延薄膜中展示了独特的铁电性。通过原子尺度成像，实验确认了极性 I2bm 结构的 SrFeO₂.₅ 和反极性 Pnma 结构的 CaFeO₂.₅ 的形成。在这两种结构中，极化方向在各 FeO₄ 四面体层内保持稳定，且与 FeO₆ 八面体层之间耦合较弱。两种结构均具有中等能垒，可在外加电场作用下成功翻转极化方向。

同步辐射 X 射线衍射结果进一步支持了 SrFeO₂.₅ 和 CaFeO₂.₅ 的极性结构稳定存在或随电场发生转变的结论，与STEM中观察到的极化翻转现象一致。此外，计算结果揭示了声子的解耦现象，进一步验证了零宽度畴壁的可能性。上述发现表明 brownmillerite 薄膜是下一代纳电子器件中实现单元胞尺度极化调控的有力平台。

文献信息

Jang, J., Jin, Y., Nam, YS. et al. Sub-unit-cell-segmented ferroelectricity in brownmillerite oxides by phonon decoupling. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02233-7

来源：朱老师讲VASP