过渡金属氧化物SrTiO3 (STO)是具有钙钛矿ABO3立方结构的量子顺电绝缘体，由于量子涨落的影响，使其电偶极子之间的长程相互作用被抑制，甚至在0 K也无法形成铁电有序。在特定的外部扰动作用下（例如应变、掺杂、引入缺陷和光辐照等）可以促使其产生对称性破缺而出现铁电性。例如，在大电场的作用下，STO 在40 K的超低温下可以出现铁电性，但是其铁电极化强度一般低于10 μC/cm2。在室温下，通过应变效应、尺寸效应、离子掺杂、材料制备过程中的氧压和光激发等方法可以诱导STO显示铁电性，但是极化强度非常小，一般低于1.5 μC/cm2。因此，在室温下如何诱导STO具有大的铁电性能一直以来都是这一研究领域具有挑战性的工作。
我学院功能材料专业的王占杰教授与东北大学、中科院金属研究所、北京大学、中科院宁波材料技术与工程研究所、美国斯坦福大学的科研人员合作，研究了SrTiO3/SrRuO3 (STO/SRO) 超晶格薄膜的铁电性能，发现STO/SRO超晶格在室温下具有优异的铁电极化，其剩余极化强度高达46 μC/cm2，与著名的铁电材料Pb(ZrxTi1-x)O3的铁电性能相当。虽然STO和SRO都不是传统的铁电材料，但是制备成超晶格薄膜却显示出优异的室温铁电性能，这主要起因于氧空位在STO/SRO界面有序分布而诱发的SrTiO3空间反演对称性破缺，从而在SRO层两侧形成了尾对尾的极化构型。本研究结果揭示了一种产生大的铁电响应的新方法，对发现新的铁电材料体系具有指导意义。
在这项研究中，他们通过脉冲激光沉积（PLD）法制备了SRO和STO的周期厚度分别为1~3个单胞和9~25个单胞的STO/SRO超晶格薄膜。高分辨XRD结果显示，所有超晶格样品皆为外延生长，具有典型的超晶格结构。STO25/SRO2超晶格薄膜的低倍率高角度环形暗场（HAADF）图像表明薄膜形成了STO和SRO层的交替周期排列的超晶格，总厚度约为250 nm（图1a）。高倍率HAADF图像（图1b）和相应的EDS面扫描结果（图1c-1g）清楚地显示了在STO/SRO超晶格中缺氧的界面结构。通过原子分辨率的HAADF-STEM图像解析与STO/SRO界面处Sr和Ti（Ru）之间的位移矢量叠加进一步研究了STO/SRO界面结构（图1h）。结果表明，分布在STO/SRO界面的氧空位使SRO层两侧形成了尾对尾的极化构型。图2a显示了纯STO薄膜、STO25/SRO1和STO25/SRO1超晶格的P-E电滞回线。STO25/SRO2超晶格薄膜的剩余极化强度高达46 μC/cm2，可与著名的铁电材料PZT相媲美。在STO/SRO超晶格的I-E电滞回线中，电流峰值所对应的电场与P-E电滞回线的矫顽场基本相同（图2b），有力地证明了STO/SRO超晶格铁电性的真实性。通过研究周期厚度、外加电压大小与顺序以及温度对极化性能的影响，阐明了在STO/SRO超晶格中，存在极化唤醒机制。利用第一性原理密度泛函计算，研究了氧空位在STO/SRO界面处偏析的原因，以及氧空位对STO/SRO超晶格铁电性的影响。
该研究成果以“Colossal room-temperature ferroelectric polarizations in SrTiO3/SrRuO3 superlattices induced by oxygen-vacancies”为题发表在国际著名杂志Nano Letters（自然指数收录期刊，IF: 12.262；JCR分区：Q1；中科院分区：1区）上，王占杰教授是论文的通讯作者。论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c02175。
图1 (a)和(b)STO25/SRO2超晶格薄膜的低倍率和高倍率 HAADF-STE图像。(c-g) STO/SRO界面处的原子尺度的EDS面扫描。(h) 原子分辨率的HAADF-STEM图像与STO/SRO界面处的Sr和Ti (Ru)之间的位移矢量重叠。(i) 为由(h)导出的平面外极坐标位移图。(j) 为由(i)导出的平均位移统计结果。
图 2 (a) 纯STO薄膜、STO25/SRO1和STO25/SRO2超晶格的P-E电滞回线。(b) STO25/SRO2 超晶格的P-E电滞回线和I-E曲线。
