众所周知，铁电材料和铁磁材料有很多相似性，其背后的物理本质也是人们一直关心的问题。然而，人们对此种物理本质的理解仍然有待深入。例如，在铁磁材料中发现的通量全闭合畴结构，理论上也应该出现在铁电材料中，但始终没有得到实验证实。其主要困难在于，铁电材料中通量全闭合畴结构必然导致巨大的晶格应变，而如何突破铁电极化与晶格应变的相互制约是当今铁电材料领域面临的一个基础性科学难题。
中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室的固体原子像界面结构研究团队长期致力于材料基础科学问题的电子显微学研究，近期在解决上述科学问题方面取得突破。他们通过逆向思维设计，实施应变调控在钪酸盐衬底上制备出一系列超薄的PbTiO3铁电薄膜，利用具有原子尺度分辨能力的像差校正电子显微术，不仅发现通量全闭合畴结构及其新奇的原子构型图谱，而且观察到由顺时针和逆时针闭合结构交替排列所构成的大尺度周期性阵列，如图1所示。在此基础上，他们揭示了周期性闭合结构的形成规律，发现在一定的薄膜厚度范围内由通量闭合结构构成的周期性阵列的周期大小与薄膜厚度之间成比值约为√2的线性关系；推导出闭合结构核心处超大的应变梯度以及整个闭合结构中巨大的长程弹性应变梯度；在Landau-Ginsburg-Devonshire理论框架下计算出闭合结构核心处目前最高量级弯电常数。
铁电材料中通量全闭合结构以及核心处巨大弯电效应的发现将把铁电薄膜器件的设计和研发推向一个新的高度，为探索基于铁电材料的高密度信息存储器提供了新途径。同时，该项工作证实了巨大的弹性应变梯度可以通过多层膜的形式保存下来，实现相关物理性能的连续调控，为新型梯度功能材料的设计提供了新思路。
以上结果近期发表在美国Science周刊上。
(http://www.sciencemag.org/content/early/2015/04/15/science.1259869.full)
该研究工作得到了国家自然科学基金（资助号：51171190和51231007）和其他国家科技计划的资助。
图1 SrTiO3(10nm)/PbTiO3(36nm)/SrTiO3(3nm)/PbTiO3(28nm)/GdScO3多层膜中PbTiO3铁电层的周期性畴结构。(A)PbTiO3晶体结构示意图；(B)[100] 方向的结构投影图；(C)[100]方向摄取的高角环形暗场像(HAADF)展示离子位移的方向和大小；(D)多层结构的低倍高角环形暗场像; (E)基于显微图像的几何相位分析，c畴的空间分布成正弦曲线特征。右侧为高分辨率原子序数Z 衬度像，同时叠加了极化矢量。所有单胞中的离子位移矢量组合在一起构成具有顺时针和逆时针特征的两种通量全闭合结构。这两种闭合结构在薄膜中交替排列构成大尺度的周期性阵列。1,2,3,和4分别对应左侧图D中的区域。
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