當(dāng)社會學(xué)者經(jīng)常為“到底是黎民百姓還是英雄創(chuàng)造了歷史”而爭論不休時，我們不妨調(diào)侃一下物質(zhì)科學(xué)：物質(zhì)科學(xué)的發(fā)展，似乎更多是英雄主導(dǎo)了歷史。這里的英雄，是指那些金牌材料。大到一個大產(chǎn)業(yè)、如硅，小到一個學(xué)科分支領(lǐng)域、如石墨烯，似乎就是如此。這一調(diào)侃，也許可以引導(dǎo)物理人會心一笑，亦或未置可否。的確，物理學(xué)和材料科學(xué)在討論某個理論、觀點(diǎn)或者框架時，總有些金牌物態(tài)或者金牌材料被抬出來，做為典型加以渲染和論證。

在當(dāng)下的光、電、磁和智能信息材料中，特別是磁電多鐵材料中，鐵酸鉍 （BiFeO3，BFO） 稱得上是其中的金牌材料，更是少有的室溫材料。雖然 1960 年代以來偶有關(guān)注，但 2003 年在伯克利知名學(xué)者 R. Ramesh 那里求學(xué)的王峻嶺博士按下了 BFO 復(fù)興的重啟鍵，是 BFO 發(fā)展的里程碑。過去二十年，我們偶有碰到 Ramesh 和王峻嶺時，會“調(diào)侃”他們在自家庭院將 BFO 做成了粵國常見的茂密大榕樹。其結(jié)果是讓榕樹周圍的大片土地寸草不生。現(xiàn)在看來，BFO 至少有如下幾個特點(diǎn)讓其錦袍加身，如圖 1 所示：

圖 1. BFO 的錦袍 （A） 和縫制金絲薄膜錦袍的“針線盒”（B）。

（A） Hiroshi Naganuma， Multifunctional Characteristics of B-siteSubstituted BiFeO3 Films， https://www.intechopen.com/chapters/16762。（B）https://phys.org/news/2019-01-microscope-shovel.html。

（1） 化學(xué)組成簡單：Bi 和 Fe 加 O，都是地球上豐碩的元素，對環(huán)境友好。BFO 制備起來也容易，雖然有一些小的 know-how。特別是，制備 BFO 薄膜時有一些秘籍，現(xiàn)在也都廣為人知。

（2） 能帶結(jié)構(gòu)：能帶帶隙 ~ 2.5 eV，是當(dāng)下最合適的光電半導(dǎo)體母相所需的帶隙。稍微加以摻雜、替代、維度和外場調(diào)控，BFO 可以給我們幾乎所有需要的性能。

（3） 多鐵性：鐵電性、鐵彈性、（鐵） 磁性均沾，且相互耦合與融合，是少有的三鐵開泰、春去春來的化合物。鐵電性主體源于 Bi3+ 的 6s 孤對電子，也有磁性 Fe3+ 氧八面體 （FeO6） 結(jié)構(gòu)畸變的貢獻(xiàn)，從而展現(xiàn)巨大鐵電極化、8 個擇優(yōu)極化方向、及強(qiáng)磁電耦合。鐵彈性源于 FeO6 八面體結(jié)構(gòu)畸變與鐵電極化 - 磁性耦合，就如其中的多種鐵彈疇所展示的那般。磁性則源于非共線的 Fe3+ 自旋結(jié)構(gòu)，更是一番自旋阻挫研究的新風(fēng)景。

（4） 疇結(jié)構(gòu)：BFO 最著名的，是其 180o、109o 和 71o 疇結(jié)構(gòu)共存與耦合。至今尚無一種其它材料可以有如此豐碩的疇結(jié)構(gòu)，從而給“三鐵開泰”以獨(dú)特的介觀物理支撐。

（5） 疇壁輸運(yùn)與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：180o、109o 和 71o 疇結(jié)構(gòu)，提供了兩大傳統(tǒng)鐵電材料所不具備的新功能。一是疇壁導(dǎo)電和疇壁金屬性，一是以疇壁為核心的拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu)構(gòu)造。

當(dāng)然，我們還可以繼續(xù)列舉 BFO 的儀態(tài)萬千。但是，BFO 如此金牌，卻也面臨付諸應(yīng)用的強(qiáng)大外部壓力。雖然對材料研發(fā)而言，二十年時間不算長，但也不算短。其中的緣故，帶有某種“成也金牌、不成亦金牌”的味道：畢竟，一物之所長，不可能面面都鮮亮。BFO 的未來，可能還是要“揚(yáng)長避長”，聚其中一指而不及其余。過去幾年，量子材料人開始更加關(guān)注 BFO 的鐵電及其于未來信息存儲計(jì)算中的應(yīng)用。個中緣由，大概如此。

圖 2. BFO 的 180° 鐵電翻轉(zhuǎn)、71° 鐵彈翻轉(zhuǎn)路徑以及相應(yīng)的反鐵磁面變化示意圖。其中 BFO 單胞中的箭頭代表鐵電極化方向，六角形面代表反鐵磁面。

圖 3. 具有 71° 周期性條帶疇的 BFO 薄膜中 180o 鐵電翻轉(zhuǎn)和 71o 鐵彈翻轉(zhuǎn)路徑的選擇性操控。（a） 電壓、針尖移動和面內(nèi)尾場方向的關(guān)系，（b）BFO 中 8 種可能的極化方向，（c-f） 71° 周期性條帶疇 BFO 樣品，（g-j）180o 鐵電翻轉(zhuǎn)，（k-n） 71o 鐵彈翻轉(zhuǎn)。

BFO 的基態(tài)為菱方相，鐵電極化沿贗立方體的體對角線的八個 ［111］ 方向之一。故而，極化操控翻轉(zhuǎn)的路徑包括 180° 鐵電翻轉(zhuǎn)、71° 鐵彈翻轉(zhuǎn)以及 109° 鐵彈翻轉(zhuǎn)。從鐵電應(yīng)用而言，180° 鐵電翻轉(zhuǎn)的能壘最低，因此最容易。從存儲計(jì)算的兩態(tài)制而言，這一模式也滿足要求。因此，針對 BFO 的鐵電應(yīng)用研究，多關(guān)注外電場下 180° 鐵電翻轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)兩種極化態(tài)之間的切換。

來自華南師范大學(xué)先進(jìn)材料研究所 （IAM） 的青年帥哥教授陳德楊博士，似乎就不滿足于此。德楊自然也出自伯克利 Ramesh 教授門下，多年來精工于 BFO 薄膜的高品質(zhì)制備和疇結(jié)構(gòu)操控，很有心得。他一直以為，拘泥于鐵電本征的兩種穩(wěn)定極化態(tài)，實(shí)際上阻礙了器件存儲密度的進(jìn)一步提高。為滿足當(dāng)下大數(shù)據(jù)時代數(shù)據(jù)量增長的存儲需求，研發(fā)具有高存儲密度的多態(tài)信息存儲器件，是必然途徑。

此外，BFO 本身的磁電耦合效應(yīng)，也使其有望應(yīng)用于超低能耗磁電器件中。不過，180o 鐵電翻轉(zhuǎn)，不能驅(qū)動 BFO 中反鐵磁面的轉(zhuǎn)動 （如圖 2 所示），阻礙了磁電耦合器件的研發(fā)。因此，BFO 中更多鐵電翻轉(zhuǎn)路徑的精確操控，是推動多態(tài)存儲和磁電耦合器件研發(fā)的關(guān)鍵之一。

陳德楊博士帶領(lǐng)其學(xué)生陳超博士等，一直于此“癡心妄想”，多方嘗試，有所收獲。他們首先通過 PLD 方法，在鈧酸鏑 ［DyScO3， DSO 正交 （110） 取向］ 基片上，制備了具有 71o 周期性條帶疇的 BFO 薄膜。實(shí)話說，這里的近乎完美的高質(zhì)量條帶疇，讓人有些炫目過度的感覺，也有利于鐵電極化翻轉(zhuǎn)的調(diào)控和分析。從表征和實(shí)現(xiàn)途徑上，德楊他們以面外電場，外加掃描探針顯微術(shù) PFM 針尖移動誘發(fā)的面內(nèi)尾場，作為驅(qū)動手段，實(shí)現(xiàn)了 BFO 中 180° 鐵電翻轉(zhuǎn)和 71o 鐵彈翻轉(zhuǎn)路徑的選擇性操控，如圖 3 所示。隨后，又通過兩種翻轉(zhuǎn)路徑的可控切換，獲得了 4 種不同極化態(tài)，可由電場往復(fù)調(diào)控，如圖 4 所示。

圖 4. 通過精確操控 BFO 薄膜中 180° 鐵電翻轉(zhuǎn)和 71° 鐵彈翻轉(zhuǎn)路徑，實(shí)現(xiàn) 4 種極化態(tài) （state I+、state I-、state II+、state II-） 之間的往復(fù)可控切換。

過往的工作，相對而言多認(rèn)為兩態(tài)可控切換即可，較少關(guān)注傳統(tǒng)鐵電材料中多極化態(tài)切換。然而，未來的高密度存算，特別是基于神經(jīng)形態(tài)的人工智能存算一體化，多態(tài)切換開關(guān)是必由之路。從這個意義上，這里實(shí)現(xiàn)的 BFO 薄膜中鐵電極化態(tài)之 4 態(tài)可控切換，有利于推動高存儲密度多態(tài)信息存儲器件的研發(fā)。

除此以外，在德楊他們的 BFO 薄膜中，71o 鐵彈翻轉(zhuǎn)也會帶動反鐵磁軸的轉(zhuǎn)動。因此，這里的鐵彈、鐵電翻轉(zhuǎn)路徑精確操縱，對于推動室溫磁電耦合 （電控磁） 低功耗存儲器件的研究，亦是有益的嘗試。德楊他們與 IAM 的同事們一起，將這一工作整理成文，最近刊發(fā)在《Advanced Functional Materials》期刊上，引起同行關(guān)注。

審核編輯 ：李倩