Large remnant polarization in a wake-up free Hf0.5Zr0.5O2 ferroelectric film
通过调节臭氧脉冲宽度、退火工艺和金属/绝缘体界面，获得了迄今为止具有最高剩余极化（Pr）值的无唤醒Hf0.5Zr0.5O2（HZO）铁电薄膜.在HZO薄膜的原子层沉积过程中的臭氧剂量似乎是一个重要的参数，在抑制驱动唤醒效应的机制。具有相对低的热膨胀系数的钨盖电极能够诱导面内拉伸应变，这在退火工艺的冷却步骤期间增加斜方晶相的形成，同时减少单斜晶相的形成。因此，提高退火温度TA，随后快速冷却至室温导致2 Pr值显著增加（64 uC/cm 2）。然而，漏电流显著增加，这会影响金属-绝缘体-金属（MIM）器件的性能。为了减少漏电流，同时保持热退火过程中的机械应力，10 nm的Pt层之间的W/HZO底部界面插入。这导致漏电流降低约20倍，而2 Pr值几乎保持恒定（约60 uC/cm 2）。在Pt/HZO界面处的势垒高度的增加相比，与通过引入Pt/HZO界面的界面氧化物（WOx）的形成的抑制相耦合的W/HZO界面用于降低漏电流。
2021-01-13 cond-mat.mtrl-sci
The Interplay Between Imprint, Wake-Up Like Effects and Domains in Ferroelectric AlScN
本文通过I-V、P-E测量和SEM结构分析，揭示铁电AlScN中固有印记与小回线共同导致类唤醒效应，并阐明初始畴通过畴壁运动降低矫顽场的机制。
2023-10-26 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Epitaxial Ferroelectric La-doped Hf0.5Zr0.5O2 Thin Films
在铁电体Hf0.5Zr0.5O2中掺杂La是提高铁电体耐久性的一条很有前途的途径。然而，La对多晶膜的耐久性的有益影响可能伴随着保持力的下降。我们研究了掺镧外延薄膜的耐久性保持困境。与未掺杂的外延膜相比，在更宽的厚度范围内获得了大的极化值，而矫顽场是相似的，并且漏电流大幅降低。与多晶掺La薄膜相比，外延掺La薄膜表现出更强的疲劳性，但没有明显的唤醒效应和阻容保持困境。持久的唤醒效应常见的多晶La掺杂Hf0.5Zr0.5O2薄膜，是有限的几个周期，在外延膜。尽管疲劳，在外延镧掺杂薄膜的耐久性是超过1010个周期，这种良好的性能是伴随着超过10年的优秀保留。这些结果表明，唤醒效应和磁阻保持的困境是不是本征在La掺杂的Hf0.5Zr0.5O2。
2020-10-28 cond-mat.mtrl-sci
Influence of defects on ferroelectric and electrocaloric properties of BaTiO$_3$
我们报告的BaTiO $_3$的铁电和电热性能的缺陷的修改。为此，我们结合了基于\textit{ab initio}的分子动力学模拟与一个简单的模型缺陷。我们发现，不同种类的缺陷修改的铁电转变温度和极化，减少过渡的热滞后，并没有大的热响应的障碍。对于局部降低的极化，铁电转变温度和绝热响应略有降低。对于极性缺陷，出现了一幅有趣的画面。极性缺陷使相变温度升高，大热响应的温度范围变宽。更值得注意的是，我们发现在很宽的温度范围内存在逆热效应。
2016-09-30 cond-mat.mtrl-sci
Ferroelectric HfO$_2$-ZrO$_2$ multilayers with reduced wake-up
本研究通过溶液法制备了50纳米厚的HfO₂-ZrO₂多层膜，实现了铁电性，剩余极化达9 μC/cm²，并因多层界面增强了击穿强度而加速唤醒，为厚铁电氧化铪薄膜提供了更快的唤醒机制。
2025-03-29 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Drift of charged defects in local fields as aging mechanism in ferroelectrics
点缺陷迁移被认为是铁电体老化的一种机制。给出了二维畴结构中点缺陷迁移和静电能弛豫耦合问题的数值结果。在畴壁处的夹持压力的峰值在$10^6$ Pa的范围内，这对应于在钙钛矿铁电体中宏观观察到的矫顽应力。的效果相比，涉及取向重排的缺陷偶极子在大部分领域的机制。对于相同的材料参数，在漂移机制中的畴夹持比取向图中的畴夹持明显更强。
2007-04-19 cond-mat.mtrl-sci
Modeling of dielectric hysteresis loops in ferroelectric semiconductors with charged defects
我们提出了具有带电缺陷和普遍的非本征电导的铁电半导体的介电滞回线的唯象描述。我们修正了Landau-Ginsburg方法，证明了上述非均匀系统的宏观状态可以用三个序参量的三个耦合方程来描述。无论是实验观察到的矫顽场值远低于热力学和各种磁滞回线变形（收缩和双循环）已获得在我们的模型的框架。所得结果定量地解释了PZT厚膜等铁电材料的铁电开关现象。
2004-08-30 cond-mat.mtrl-sci
Domain Walls Stabilized by Intrinsic Phonon Modes and Engineered Defects Enable Robust Ferroelectricity in HfO2
School of Integrated Circuits, Peking University（北京大学集成电路学院）；Advanced Instrumental Analysis Center, School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University（天津大学化学工程与技术学院先进仪器分析中心）
研究通过声子模式扩展框架，揭示了声子模式和缺陷对铁电HfO₂域壁稳定性的影响，发现界面声子模式和缺陷能稳定铁电域并促进极化切换。
2026-03-16 cond-mat.mtrl-sci
Mesoscopic mechanism of the domain wall interaction with elastic defects in ferroelectrics
利用含弹性偶极耦合的含时LGD方程，研究了弹性缺陷对180 °不带电铁电畴壁运动动力学的影响。在一维情况下，由于畴壁与缺陷的相互作用，畴壁速度出现波纹、台阶和振荡。虽然缺陷不影响极限壁速度与场的依赖性，但它们导致激活壁运动所需的最小阈值场。推导了阈值场的解析表达式，结果表明阈值场远小于热力学矫顽场。阈值场与缺陷的浓度成线性比例，并非单调地依赖于它们之间的平均距离。所得结果为研究铁电体中弹性缺陷钉扎畴壁的介观机制提供了理论依据。
2012-01-26 cond-mat.mtrl-sci
Designing wake-up free ferroelectric capacitors based on the $\mathrm{HfO_2/ZrO_2}$ superlattice structure
针对铪基铁电电容器的唤醒问题，提出从Pt/ZrO₂界面侧加热的单向退火法制备HZO超晶格铁电电容器，实现无唤醒特性与27.4μC/cm²的2Pᵣ，该方法也适用于其他铪基铁电器件。
2022-06-29 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Phenomenological Description of Disordering in Ferroelectric Materials Caused by Charged Defects
提出了电荷密度随机涨落的带电杂质引起铁电半导体中铁电无序的唯象描述。材料的反常电导率与平均杂质电荷密度成正比。对于足够高的电导率，自由载流子在没有外部场的情况下屏蔽波动。当外加电场时，非均匀极化的“带电缺陷+屏蔽云”系统出现内场涨落和动力学感应涨落。我们表明，宏观状态的铁电半导体随机带电缺陷和足够高的不当电导率可以描述由三个耦合方程的三个参数平均在样品体积。感应决定了系统的铁电有序性，其平方涨落决定了带电涨落周围的电场涨落引起的无序性，感应涨落与电荷密度涨落的平均乘积反映了自由载流子屏蔽云与带电缺陷涨落之间的相关性。我们第一次推导出下列非线性耦合方程组。所得到的耦合方程系统充分描述了极化开关（足迹和轻微的磁滞回线）在这种散装铁电材料，如PLZT陶瓷和SBN单晶掺杂铈的特点。
2004-04-03 cond-mat.mtrl-sci
Deconvolution of phonon scattering by ferroelectric domain walls and point defects in a PbTiO3 thin film deposited in a composition-spread geometry
我们提出了一个详细的分析的温度依赖性的铁电PbTiO 3薄膜的热导率沉积在一个组合物蔓延的几何形状，使一个连续的范围内的组合物从~25%的缺钛到~20%的富钛进行研究。通过拟合德拜模型的实验结果，我们去卷积和量化的两个主要的声子散射源的系统：铁电畴壁（DW）和点缺陷。研究结果表明，铁电性双金属是该体系中限制热导率的主要因素，不仅在薄膜的化学计量比范围内（[Pb]/[Ti]~1），而且在阳离子点缺陷浓度较大（约15%）时也是如此。因此，铁电材料中的DW是至少与点缺陷一样有效的声子散射源。我们的研究结果表明，使用可重构DW控制在固态器件的热导率的可行性和有效性。
2021-04-29 cond-mat.mtrl-sci
Evolution of defect signatures at ferroelectric domain walls in Mg-doped LiNbO3
利用拉曼光谱研究了单轴铁电锂酸盐单晶的电畴结构。通过分析畴壁处的频移及其随掺杂浓度和退火条件的变化，研究了室温下镁掺杂和极化的影响。结果表明，缺陷是稳定在畴壁和Mg浓度的缺陷结构的变化可以探测到的拉曼模式的移位。我们发现，极性缺陷的签名在散装和畴壁不同。
2018-02-08 cond-mat.mtrl-sci
Ferroelectricity promoted by cation/anion divacancies in SrMnO$_3$
采用密度泛函理论（DFT）研究了Sr-O空位对对SrMnO $_3$（SMO）电极化的强度的影响.这是由复合氧化物中的铁电性可以通过外延应变以及\textit{via}缺陷化学来工程化的指示激发的。我们的研究结果表明，本征掺杂的阳离子和阴离子双空位可以诱导局部极化在无应变的非极性SMO薄膜和铁电状态可以稳定低于临界应变的化学计量材料。这种极性通过与缺陷对相关的电偶极子及其与缺陷形成时的原子弛豫的耦合来促进，所述缺陷形成时的原子弛豫包围缺陷周围的区域。这表明极性缺陷对影响半导体反铁磁SMO中的应变相关铁电性。对于金属铁磁SMO，我们发现由于更强的电子屏蔽，缺陷偶极子和极化之间的耦合要弱得多。在足够高的浓度下耦合的缺陷对偶极子随着其可切换的取向，从而使他们成为一个有前途的路线，影响复杂的过渡金属氧化物薄膜的铁电转变。
2021-05-19 cond-mat.mtrl-sci
Localized electronic states induced by defects and possible origin of ferroelectricity in strontium titanate thin films
已经研究了包括氧空位的几种缺陷配置，作为所报道的钛酸锶（STO）薄膜的室温铁电性的可能来源[Appl. Phys. Lecture. 91，042908（2007）]。第一性原理计算表明，Sr-O-O空位复合物在SrTiO 3的带隙中产生深局域态，而不影响其绝缘性能。这些结果与从光学透射和X射线吸收测量确定的电子结构变化一致。这项工作开辟了利用氧空位及其复合物作为钙钛矿氧化物薄膜（包括STO）铁电性来源的途径。
2008-09-18 cond-mat.mtrl-sci
Defect-engineered scaling of lead-free ferroelectrics with ultralow-voltage switching
North Carolina State University（北卡罗来纳州立大学）；Stanford University（斯坦福大学）；SLAC National Accelerator Laboratory（SLAC国家加速器实验室）；Cornell University（康奈尔大学）；Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室）
通过缺陷工程调控碱金属缺陷，在亚10纳米薄膜中实现低于100 mV的稳健铁电开关，为超低功耗非易失电子技术提供可行路径。
2026-05-29 cond-mat.mtrl-sci
Domain Walls and Defects in Ferroelectric Inorganic Halide Perovskites CsGeX$_3$ (X = Cl, Br, I)
本文利用密度泛函理论研究铁电钙钛矿 CsGeX$_3$ 的畴壁与点缺陷相互作用，发现缺陷对畴壁亲和性弱、畴壁迁移能垒低且不被钉扎，表明其适合低能耗高频开关应用，但难以实现导电畴壁。
2025-11-10 cond-mat.mtrl-sci
Switchable polarization in non-ferroelectric SrTiO$_3$
基于密度泛函理论发现本征缺陷可使非铁电SrTiO$_3$产生可切换的强自发极化，为缺陷工程材料设计开辟新途径。
2025-06-02 cond-mat.mtrl-sci
Defects and Oxygen Impurities in Ferroelectric Wurtzite Al$_{1-x}$Sc$_x$N Alloys
本研究通过第一性原理计算分析铁电纤锌矿Al$_{1-x}$Sc$_x$N合金的本征缺陷与氧杂质，明确氮空位和氧替位缺陷的特性与影响，为该类铁电器件的研发提供缺陷物理基础。
2023-08-28 cond-mat.mtrl-sci
Control of ferroelectric domain wall dynamics by point defects: Insights from ab initio based simulations
本研究结合从头算有效哈密顿量分子动力学模拟与材料信息学方法，分析受主掺杂铁电体中缺陷偶极子对四方相BaTiO₃ 180°畴壁运动的影响，揭示其钉扎机制、绕障方式及成核限制因素。
2025-04-18 cond-mat.mtrl-sci
Atom Probe Tomography as an Emerging Tool for Understanding Defect-driven Mechanisms in HfO$_{2}$-based Ferroelectrics
Norwegian University of Science and Technology (NTNU)（挪威科技大学）；Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie（柏林亥姆霍兹材料能源中心）；Freie Universität Berlin（柏林自由大学）；University of Nebraska, Lincoln（内布拉斯加大学林肯分校）；University of Duisburg-Essen（杜伊斯堡-埃森大学）；Research Center Future Energy Materials and Systems（未来能源材料与系统研究中心）
本文综述了原子探针层析成像（APT）在HfO$_{2}$基铁电体中的应用，通过三维原子尺度映射氧空位、掺杂剂和结构缺陷，揭示缺陷-性能关系，并展示概念验证重构，以指导高可靠性铁电器件的开发。
2026-06-17 cond-mat.mtrl-sci
Topological defects as relics of emergent continuous symmetry and Higgs condensation of disorder in ferroelectrics
Lars Onsager和Richard Feynman设想，在$^{4}$ He中，三维（3D）超流到正常$λ$的转变通过涡旋的增殖发生。对于同一普适类中的每一个相变，这个过程都应该成立。拓扑缺陷在破缺相变中的作用已经成为宇宙学和高温超导学的主要课题，尽管直接成像这些缺陷是具有挑战性的。在这里，我们表明，U（1）连续对称性，出现在铁电临界点的多铁性六方锰氧化物导致类似的增殖的漩涡。此外，无序场（涡旋）耦合到一个新出现的U（1）规范场，当加热到铁电转变温度以上时，涡旋凝聚（跨越整个系统），通过希格斯机制，规范场变得有质量。在六方锰氧化物的涡旋网络的直接成像提供了独特的实验访问这种双重描述的铁电转变，同时使测试的Kibble-Zurek机制。
2015-06-16 cond-mat.mtrl-sci
Defect driven flexo-chemical coupling in thin ferroelectric films
利用Landau-Ginzburg-Devonshire理论，研究了挠曲电化学耦合对含弹性缺陷铁电薄膜的极性和相变的尺寸效应的影响.我们研究了一个典型的情况下，当缺陷填充薄膜表面下的一个薄层与一个恒定的浓度创建一个额外的梯度的弹性场。薄膜的缺陷表面没有覆盖电极，而是覆盖有环境屏蔽电荷的超薄层，其特征在于表面屏蔽长度。这种几何形状是典型的扫描探针压电力显微镜。结果表明，Vegard应力和挠曲电效应（简称挠曲化学耦合）的共同作用对含有一层弹性缺陷的PbTiO 3薄膜的铁电转变温度、自发极化和弹性场的分布、畴壁结构和周期具有意想不到的强烈影响。一个不平凡的结果是铁电性持续在膜厚度低于4 nm，温度低于350 K和相对高的表面屏蔽长度（~0.1 nm）。这种现象的起源是在膜中的域结构的重建（即从c-域条纹到a-型闭合域的交叉），当其厚度减小到4 nm以下时，由挠曲电耦合调节并由负Vegard效应促进。对于正Vegard效应，较厚的膜表现出明显的最大值的转变温度，其位置和高度可以通过缺陷类型和浓度的厚度依赖性的外观。揭示的功能可能有重要的意义，铁电基器件的小型化。
2017-08-02 cond-mat.mtrl-sci
Intrinsic ferroelectric properties of strained tetragonal PbZr0.2Ti0.8O3 obtained on layer-by-layer grown, defect-free single crystalline films
PbZrxTi 1-xO 3（PZT）是目前最重要的铁电材料之一。大块单畴单晶PZT从来没有被合成为一个显着的组成范围内的固溶体相图。这使得PZT的基本性质处于争论之中。无缺陷单晶薄膜的合成使我们能够明确地确定描述铁电材料的本征量，如自发极化和介电常数。采用脉冲激光沉积法（PLD）在SrTiO 3（001）单晶衬底上生长了无缺陷的应变PbZr 0. 2 Ti 0. 8 O 3薄膜。采用PLD法制备的SrRuO 3单晶薄膜作为底电极。PZT薄膜具有方形形状的磁滞回线和剩余极化值高达Pr= 110 μ C/cm 2，这是相当高的理论值预测（无应变）散装单晶PZT的调查组合物。薄膜的介电常数eps 33 = 90，压电系数d33= 50 pm/V。
2006-01-16 cond-mat.mtrl-sci
Multiscale Simulations of Defect Dipole-Enhanced Electromechanical Coupling at Dilute Defect Concentrations
缺陷在铁电氧化物等离子-共价键混合固体中的作用是复杂的。目前对单缺陷水平上缺陷对铁电性能的理解大多停留在经验水平，许多缺陷介导的极化开关过程的详细原子机制尚未从量子力学上令人信服地揭示。利用大尺度分子动力学模拟了BaTiO 3在一般缺陷偶极子存在下的极化-电场（P-E）和应变-电场（{ $ε$ }-E）磁滞回线，并提供了缺陷偶极子增强机电耦合的详细原子图像。我们开发了一个通用的基于第一性原理的原子模型，使宏观铁电性能和偶极杂质的不同取向，浓度和偶极矩之间的关系的定量理解。我们发现偶极缺陷相对于外场的集体取向是强烈影响材料硬化/软化和机电耦合的关键微观结构特征。我们表明，一个小的浓度（0.1原子%），的缺陷偶极子显着提高机电响应。这提供了一个机会，以提高廉价的多晶铁电陶瓷的性能，通过缺陷偶极子工程的一系列应用，包括压电传感器，致动器和换能器。
2017-07-25 cond-mat.mtrl-sci
Defect thermodynamics and kinetics in thin strained ferroelectric films: the interplay of possible mechanisms
本文从理论上描述了失配应变对应变铁电薄膜中移动缺陷动力学的影响。自洽的解决方案，通过耦合的泊松方程的电势与连续性方程的移动施主和电子浓度和时间依赖的Landau-Ginzburg-Devonshire方程显示，Vegard机制（化学压力）导致带电和电中性缺陷的重新分布，以减少在薄膜中的有效应力。内部电场，内置和去极化的，导致屏蔽空间电荷（带电缺陷和电子）附近的膜界面的强烈积累。重要的是，相应的屏蔽长度由失配应变和Vegard系数决定。移动缺陷动力学，极化和电流反转的动力学定义的施主，电子和声子的弛豫时间，失配应变，有限尺寸效应和Vegard应力之间的复杂的相互作用。
2013-11-13 cond-mat.mtrl-sci
Multiferroicity and 180$^\circ$ domain switching in LaFeO$_3$ via Antisite Defects
本文通过密度泛函理论计算发现，在非铁电反铁磁的LaFeO$_3$中引入Fe$_\mathrm{La}$反位缺陷可使其同时具备铁电性与亚铁磁性，实现极化耦合与180$^\circ$畴翻转。
2025-08-12 cond-mat.mtrl-sci
Modelling of Pyroelectric Response in Inhomogeneous Ferroelectric-Semiconductor Films
本文对Landau-Khalatnikov方法进行了改进，证明了非均匀铁电-半导体薄膜的热释电响应可以用六个序参量的耦合方程来描述：平均位移及其均方涨落和与电荷缺陷密度涨落的相关性，平均热释电系数及其涨落和与电荷缺陷密度涨落的相关性。与Landau-Khalatnikov型方程相比，耦合方程描述了热释电响应的非均匀反转，热释电系数在热力学矫顽场附近出现尖锐的峰。在我们的模型框架内，热释电的磁滞回线变得更加平滑，薄和低，以及热释电系数峰附近的矫顽场完全消失的缺陷引起的无序的增加。这种效应类似于弛豫铁电体中铁电滞回线的“正方形到细长形的转变”。缺陷浓度的增加也导致无序铁电体典型的矫顽场急剧下降。掺杂和非均匀铁电体的热释电磁滞回线通常具有典型的光滑形状，没有任何热释电系数峰，矫顽场值远低于热力学值。因此，我们的方法定性地解释了现有的实验结果。我们的模型和典型的Pb（Zr，Ti）O_3-膜的热释电和铁电回路之间的定量协议已经得到。
2005-10-16 cond-mat.mtrl-sci
Identification of the defect distribution at ferroelectric domain walls from the evolution of nonlinear dielectric response during aging process
铁电畴壁的运动对铁电材料的宏观介电和压电响应有很大贡献。然而，通过铁电材料的畴壁运动受到晶体缺陷上的钉扎的阻碍，这实质上减少了这些贡献。在这里，使用热力学模型的基础上的Landau-Ginzburg-Devonshire理论，我们发现微观可逆运动的非铁弹180度畴壁相互作用的钉扎中心和非线性宏观介电常数的周期性阵列之间的关系。我们表明，畴壁的可逆运动可以分为两个基本模式。第一，钉扎中心之间的畴壁弯曲，第二，畴壁平面的均匀运动。我们发现，它们各自的贡献可能会发生变化时，钉扎中心的分布在材料老化过程中重新安排。我们证明，它是可能的，以表明在材料老化过程中的畴壁运动的机制受到影响。这允许判断缺陷是否仅均匀地积聚在畴壁处或优选在畴壁平面内的某些方向上排列。我们建议，这一信息可以得到使用简单的宏观介电测量和适当的非线性响应分析。因此，我们的研究结果可以作为一个简单而有用的工具，以获得在老化过程中的畴壁钉扎的细节。
2016-02-09 cond-mat.mtrl-sci
Non-Linear Modes in Lithium Niobate Ferroelectrics with niobium antisite defects
铁电材料是一类重要的非线性光学材料，在光子器件中有着广泛的应用。在离散哈密顿量中，如果考虑两个极化域之间相互作用项的极化矢量的空间和时间依赖性，则会产生非线性Klein-Gordon（K-G）方程，该方程已在某些系统中得到证明[1]。这个方程作为一个控制方程，使多时间尺度分析（MTSA）上执行一个真正的铁电材料，揭示了新类型的信息的线性（称为软模式）和非线性部分的频率和振幅的振荡。在交错极化的K-G系统中描述了MTSA，重点揭示了本征局域模（ILM）的存在。在这里，详细的结果为第一个三个线性模式和它们的频率作为一个2的功能的范围广泛的铌反位缺陷或，在锂铁电体中的杂质。研究发现，当外界激励（即输入）本质上仅为谐波时，不能确定孤波（即输出）的偶模是否与这类谐波外力发生锁相。
2016-12-13 cond-mat.mtrl-sci
Double polarization hysteresis loop induced by the domain pinning by defect dipoles in HoMnO3 epitaxial thin films
本文报道了多铁性HoMnO_3薄膜在铁电居里温度以下的类反铁电双极化电滞回线。这种有趣的现象是由于在薄膜生长过程中无意引入的缺陷偶极子对畴的钉扎作用。电子顺磁共振谱表明薄膜中存在Fe 1+缺陷，第一性原理计算表明缺陷偶极子由氧空位和Fe 1+缺陷组成。基于点缺陷的位置偏好性，讨论了薄膜生长过程中带电点缺陷的迁移和沿铁电极化方向缺陷偶极子的形成。由于HoMnO 3的高温低对称结构，与其他铁电体（例如，BaTiO 3）。
2010-01-14 cond-mat.mtrl-sci
Quantitative 3D mapping of chemical defects at charged grain boundaries in a ferroelectric oxide
氧化物界面的极性不连续性和结构变化可以引起各种各样的电子和离子现象。在外延系统中，包括铁电畴壁和超晶格中的界面，相关的效应已经被深入研究。在这里，我们研究多晶铁电ErMnO3中的极性不连续性和晶界处的局部化学之间的关系。使用取向映射和不同的扫描探针显微镜技术，我们表明，多晶材料开发带电的晶界增强电子电导。通过进行原子探针断层扫描测量，我们发现在所有的晶界的铒和氧的耗尽的富集。所观察到的组成变化转化为超过可能的极化驱动效应的电荷，表明结构现象而不是静电决定了局部化学组成和电子输运行为的相关变化。研究表明，带电晶界的行为明显不同于带电畴壁，在极性氧化物界面的性能工程提供了额外的机会。
2023-03-23 cond-mat.mtrl-sci
Influence of layer defects on the damping in ferroelectric thin films
本文应用格林函数技术，在横场中对伊辛模型进行修正，计算了含结构缺陷的铁电薄膜的元激发阻尼和相变温度。基于阻尼函数的解析表达式，我们分析了其依赖于温度，薄膜厚度和相互作用强度的数值。结果表明，铁电薄膜中的缺陷层、含杂质或空位的层以及含位错的层，由于缺陷层内交换作用的不同，都能引起阻尼的强烈增加。对于不同厚度的铁电薄膜，计算结果与实验数据符合得很好。
2005-08-11 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Tunable ferroelectric topological defects on 2D topological surfaces: strain engineering skyrmion-like polar structures in 2D materials
该研究通过多尺度计算模拟在二维PbX材料中利用应变工程实现可调谐铁电极性拓扑缺陷，预测了涡旋、反涡旋和通量闭合等多种极性结构，为下一代纳米电子与传感器件提供新途径。
2022-04-12 cond-mat.mtrl-sci
Giant electromechanical response from defective non-ferroelectric epitaxial BaTiO3 integrated on Si 100
显示出与常规弛豫铁电体相当或比常规弛豫铁电体更好的大机电响应的无铅硅兼容材料对于各种纳米机电器件和应用是期望的。缺陷工程电致伸缩最近已经得到普及，以获得在100 Hz以下的频率增强的机电响应。在这里，我们报告的记录值的电致伸缩应变系数（M31）在频率高达5 kHz（1.04 × 10-14平方米每V2在1 kHz，和3.87 × 10-15平方米每V2在5 kHz）使用A位和缺氧钛酸钡薄膜，外延集成到Si上。该效果是稳健的，并且即使在使装置循环>5000次之后也保持。我们的钙钛矿薄膜是非铁电的，与化学计量的BaTiO 3相比具有不同的对称性，并且其特征在于孪晶边界和纳米极状区域。我们表明，所产生的缺陷引起的功能的介电弛豫相关性非常好，与所观察到的超电致伸缩响应。这些薄膜显示出大的热膨胀系数（2.36 × 10-5/K），这与巨大的M31一起意味着由缺陷引起的晶格非谐性的显著增加。我们的工作提供了一个关键的一步，制定指导方针，工程师大机电响应，即使在更高的频率在无铅薄膜。
2023-03-06 cond-mat.mtrl-sci
Impact of layer defects in ferroelectric thin films
基于修正的横场中伊辛模型，我们证明了铁电薄膜中的缺陷层，如含有杂质、空位或位错的层，能够引起极化的强烈增加或减少，这取决于缺陷层内交换相互作用的变化。利用格林函数技术可以计算具有结构缺陷的材料的极化、激发能和临界温度。数值上我们发现，作为温度，膜厚度和层之间的相互作用强度的函数的偏振。理论计算结果与不同铁电薄膜的实验数据符合较好。
2004-11-04 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
The effect of intrinsic point defects on ferroelectric polarization behavior of SrTiO$_3$
采用密度泛函理论（DFT）和Berry相方法研究了SrTiO $_3$体相和薄膜中的各种本征缺陷和缺陷团簇对铁电极化和开关机制的影响.结果表明，钛Ti $_\mathrm{Sr}^{\bullet \bullet}$和锶Sr $_\mathrm{Ti}^{"}$反位缺陷都能引起SrTiO $_3$的铁电极化，其中Ti $_\mathrm{Sr}^{\bullet \bullet}$缺陷引起的自发极化比Sr $_\mathrm{Ti}^{"}$缺陷引起的自发极化和极化反转激活能垒更高.与反位缺陷结合的氧空位的存在可以增强或减弱极化，这取决于缺陷对的配置，但与没有氧空位的反位缺陷相比，它总是导致更大的极化切换激活势垒。我们还表明，自发极化的SrTiO $_3$的幅度可以通过控制的程度，Sr/Ti nonstroichiometry调谐。其他本征点缺陷如Frenkel缺陷对和电子小极化子也有助于SrTiO $_{3}$中铁电极化的出现。
2016-09-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Understanding doped perovskite ferroelectrics with defective dipole model
虽然掺杂在实验中被广泛用于调整钙钛矿的物理性质，但确切地知道掺杂如何实现所需的效果仍然是一个挑战。在这里，我们提出了一个经验和计算易处理的模型，以了解掺杂Fe的钛酸钡$_{3}$作为一个例子掺杂的影响。该模型假设Fe离子及其最近的六个相邻离子所占据的晶格位置失去了它们的双极能力，从而产生一小簇缺陷偶极子。将该模型应用于蒙特卡罗模拟中，成功地获得了在受主掺杂体系中实验观察到的许多重要特性，如极化降低和相变温度的收敛。偶极配置的微观信息的基础上，我们提供了深入了解掺杂效应背后的驱动力，并提出，有源偶极子，它存在于接近有缺陷的偶极子，可以解释实验观察到的现象。密切关注这些偶极子是必要的，以了解和预测掺杂效应。
2018-12-10 cond-mat.mtrl-sci
The impact of charge compensated and uncompensated strontium defects on the stabilization of the ferroelectric phase in HfO$_2$
具有特定掺杂浓度的不同掺杂剂可用于制备铁电HfO $_2$薄膜。在这项工作中，它是探索为例，锶在一个全面的第一性原理研究。密度泛函计算揭示了HfO $_2$中Sr相关缺陷的结构、形成能和总能量。我们发现，电荷补偿缺陷，包括相关的氧空位Sr $_\text{Hf}$ V $_\text{O}$强烈有利于非铁电性，四元P4 $_\text{2}$ /mnc相积极。相比之下，无氧空位的未补偿缺陷Sr $_\text{Hf}$有利于铁电正交晶系Pca 2 $_\text{1}$相。根据形成能，未补偿缺陷在生产过程中的富氧条件下容易形成。在寿命期间存在的低氧分压促进氧的损失，导致V $_\text{O}$，并因此导致铁电正交Pca 2 $_\text{1}$相的不稳定，并伴随着漏电流的增加。本研究试图从根本上解释的铁电体，正交晶系Pca 2 $_\text{1}$相掺杂的稳定。
2017-08-25 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Extrinsic ferroelectricity originated from oxygen vacancy drift in HfO2-based films
人们普遍认为，氧空位在HfO 2基材料的铁电性中起着核心作用，但其内在机制仍然是难以捉摸的。在这里，从基本的表征电路，我们提出，所观察到的铁电性是外在的。一个关键的发现是，带电的氧空位在重复的电脉冲下在样品内振荡，产生非线性电流，其行为类似于正常铁电体的极化电流。这个不需要的电流信号导致了一个类似铁电体的磁滞回线，剩余极化和矫顽场都与实验值很好地吻合，假设带电氧空位浓度在1*10^20/cm ^3附近。此外，可以利用这种机制来再现唤醒、分裂和有限耐力的效果，这些效果对于设备应用至关重要。
2021-12-26 cond-mat.mtrl-sci
Compositional gradient engineering for enhanced ferroelectricity in ultrathin AlScN
University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）
通过组分梯度分布（Sc单调掺入和AlN-rich边界）在20 nm AlN-AlScN异质结构中实现可逆铁电开关，击穿场提高21%，剩余极化增强10%，电阻率提高40倍，并在5 nm堆叠中实现1 V附近开关。
2026-06-12 cond-mat.mtrl-sci
Anion Doping Driven Non-Ferroelectric-to-Ferroelectric Phase Transition in Epitaxial Y:HfO2
Indian Institute of Science（印度科学学院）；University of Surrey（萨里大学）
本研究通过氮气退火处理外延Y:HfO2薄膜，发现氮掺入将中性氧空位转化为带电氧空位，驱动单斜非铁电相向正交铁电相转变，揭示了阴离子掺杂调控铁电性的新途径。
2026-06-26 cond-mat.mtrl-sci
Quasi-one-dimensional metallic conduction channels in exotic ferroelectric topological defects
铁电拓扑对象（例如，涡旋，skyrmions）提供了一个肥沃的土壤，探索新兴的物理特性，可能会被利用在未来的可配置的纳米电子器件。在这里，我们展示了准一维金属高导电通道沿两种类型的外来拓扑缺陷，即拓扑核心（i）一个象限的涡旋域结构和（ii）一个中心域（类似的）结构限制在高品质的BiFeO 3纳米岛阵列，简称为涡旋核心和中心核心。我们通过相场模拟揭示了沿中心核的超细（< 3 nm）金属导电通道是由限制在核中的屏蔽载流子引起的，而涡核的高电导是由场诱导的扭曲态引起的。通过电场操纵两种拓扑状态，这些导电通道可以被重复地和可逆地创建和删除，导致开/关比高于103的表观电阻效应。这些结果开辟了利用这些功能的一维拓扑对象在高密度纳米电子器件，如高密度非易失性存储器的可能性。
2020-06-09 cond-mat.mtrl-sci
Ferroelectric switching at edge dislocations in BaTiO$_3$ modelled at the atomic scale
Interdisciplinary Centre for Advanced Materials Simulation (ICAMS), Ruhr-University Bochum（波鸿鲁尔大学先进材料模拟跨学科中心）；Center for Interface-Dominated High Performance Materials (ZGH), Ruhr-University Bochum（波鸿鲁尔大学界面主导高性能材料中心）；Faculty of Physics and Astronomy, Ruhr-University Bochum（波鸿鲁尔大学物理与天文学系）；Univ. Lille, CNRS, INRAE, Centrale Lille, UMR 8207 - UMET - Unité Matériaux et Transformations（里尔大学、法国国家科学研究中心、法国国家农业食品与环境研究院、里尔中央理工学院、UMR 8207 材料与转化单元）
研究通过原子模拟揭示了BaTiO3中⟨100⟩边缘位错核心在不同电场方向下作为铁电开关成核中心或墙钉的机制，阐明了位错对铁电开关的影响。
2026-01-30 cond-mat.mtrl-sci
Ferroelectricity in epitaxially strained rhombohedral ZrO2 thin films
在过去的十年中，氧化锆和氧化铈基薄膜由于其在纳米尺度下的出乎意料的铁电行为而引起了极大的关注，这有助于铁电器件的缩小。采用离子束溅射法在（111）- Nb：SrTiO 3基片上制备了一种新型的铁电菱面体相ZrO 2薄膜。结构和铁电特性表明，（111）取向的ZrO 2薄膜处于外延压应变下，具有可切换的铁电极化，其矫顽场为1.5 MV/cm，极化强度约为20.2 μC/cm 2。此外，Nb：STO/ZrO 2/Au薄膜电容器的极化反转特性随时间的变化呈现钟形曲线，这是与畴反转相关的铁电薄膜的典型特征。估计的激活场与从极化-电场磁滞回线获得的矫顽场相当。有趣的是，所研究的薄膜本身显示出铁电行为，即，不需要施加唤醒循环，该唤醒循环对于在ZrO 2的常规（正交）铁电相中诱导铁电性是必不可少的。因此，目前的薄膜有一个技术优势，以前研究的铁电ZrO 2薄膜，并可能是有吸引力的纳米铁电器件。
2020-11-05 cond-mat.mtrl-sci
Thermodynamic stabilization and electronic effects of oxygen vacancies at BiFeO$_3$ neutral ferroelectric domain walls
本文通过第一性原理模拟量化了BiFeO$_3$中性铁电畴壁处氧空位的热力学稳定性和电子效应，发现空位在畴壁处具有高达0.3 eV的能量优势并诱导小极化子态，为畴壁导电和缺陷工程提供了定量基础。
2025-07-16 cond-mat.mtrl-sci
Evidence of hyperdimensional topological defects in a ferroelectric supercrystal phase-transition
我们进行实时立体宽域成像的铁电相变在KTN：Li。自发极化被观察到形成一个热滞后的三维晶格的相互连接的封闭的磁通模式，跨越整个样品。结果是兼容的超晶体的$N=4$拓扑纹理缺陷所产生的三倍的空间和一倍的时间反演对称性同时被打破。织构超晶体的每个晶格位置作为S $^3$超球在实际空间中的投影而出现，S超球是能够屏蔽体积电荷和铁电应变的扩展体积霍普夫链结构。
2021-04-14 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other physics.optics
Hybrid Topological Defects in Ferroelectric Nematic Fluids
Southern University of Science and Technology（南方科技大学）；The Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学）；South China Advanced Institute for Soft Matter Science and Technology (AISMST), School of Emergent Soft Matter, South China University of Technology（华南理工大学 emergent soft matter 学院/华南软物质科学与技术先进研究院）；Guangdong Provincial Key Laboratory of Functional and Intelligent Hybrid Materials and Devices, South China University of Technology（华南理工大学 广东省功能性与智能性杂化材料器件重点实验室）；Center for Complex Flows and Soft Matter Research, Southern University of Science and Technology（南方科技大学 复杂流动与软物质研究中心）
铁电向列流体中通过表面锚定研究混合拓扑缺陷的形成与演化，揭示了不同维度缺陷的相互作用及极性缺陷结构的工程潜力。
2026-08-18 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Ising lines: natural topological defects within chiral ferroelectric domain walls
本研究通过相场模拟在菱方BaTiO3中发现稳定的Ising线拓扑缺陷，揭示其作为相反螺旋性类Bloch畴壁分界及畴壁相变畴界的作用。
2015-04-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Engineering ferroelectricity in monoclinic hafnia
本文提出通过设计无缺陷的外延(HfO₂)₁/(CeO₂)₁超晶格，在热力学稳定的单斜相HfO₂基础上实现稳健铁电性，获得大于25 μC/cm²的极化强度和约2.5 meV/原子的超低翻转能垒，为高性能HfO₂铁电器件开辟新路径。
2023-09-22 cond-mat.mtrl-sci
A rhombohedral ferroelectric phase in epitaxially-strained Hf0.5Zr0.5O2 thin films
经过几十年的研究，可以集成到下一代存储器和逻辑器件的鲁棒纳米级铁电性，基于氧化物的薄膜已经成为最终的候选者，因为它们的铁电（FE）极化随着尺寸的减小而变得更加鲁棒。这揭示了一种新的铁电性，其机制仍然需要理解。为此，需要具有提高的晶体质量的薄膜。本文报道了在（001）取向的La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO 3（STO）衬底上外延生长Hf0.5Zr0.5O2（HZO）薄膜。在外延压缩应变下的薄膜主要是（111）取向的，显示出高达34 μC/cm 2的大FE极化值，并且不需要唤醒循环。结构表征揭示了菱形相，不同于通常报道的极性正交相。这一意外的发现使我们能够提出一个令人信服的模型形成的FE相。此外，这些结果指向简单氧化物的纳米颗粒作为一个巨大的未开发的类别的纳米级铁电体。
2018-01-26 cond-mat.mtrl-sci
Theoretical Description of Ferroelectric and Pyroelectric Hysteresis in the Disordered Ferroelectric-Semiconductor Films
我们修改了Landau-Khalatnikov方法，并表明极性晶格和屏蔽带电缺陷决定无序铁电半导体的响应。该系统在外场作用下表现出空间非均匀的开关，而Landau-Khalatnikov模型描述的是在热力学矫顽场附近热释电系数峰尖锐的均匀开关。该模型给出了更真实的热释电磁滞回线形状，在矫顽场附近没有任何峰值，定性和定量地描述了典型的Pb（Zr，Ti）O_3和（Sr，Ba）Nb_2O_6薄膜的热释电磁滞回线。
2006-02-01 cond-mat.mtrl-sci
Intrinsic Origin of Enhancement of Ferroelectricity in SnTe Ultrathin Films
先前的研究表明，随着铁电薄膜变薄，它们的居里温度（Tc）和低于Tc的极化都典型地降低。相反，最近的一项实验[Chang et al.，Science 353，274（2016）]观察到原子厚度的SnTe膜具有比其本体对应物更高的Tc，这归因于外部效应。在这里，我们发现，使用第一性原理计算，即0 K的能量势垒的极化开关（这是一个数量直接相关的Tc）是最高的研究无缺陷的SnTe薄膜比散装SnTe，和5单元电池（UC）的SnTe薄膜具有最大的能量势垒作为杂交相互作用和泡利排斥之间的相互作用的结果。进一步的模拟，采用目前开发的有效哈密顿量，确认独立的无缺陷的SnTe薄膜具有较高的Tc比散装SnTe，除了1-UC的情况下。因此，我们的工作表明，通过减少其厚度，本质上提高铁电薄膜的可能性。
2018-05-10 cond-mat.mtrl-sci
Anion vacancy driven magnetism in incipient ferroelectric SrTiO3 and KTaO3 nanoparticles
基于我们的分析结果[http：//arxiv.org/abs/1006.3670]，我们预测没有任何磁性离子的初始铁电体的未掺杂纳米颗粒（尺寸<10- 100 nm）甚至在室温下也可以变成铁磁性的，这是由于固有存在自旋S=1的新型磁性缺陷，即氧空位，其中磁性三重态是表面附近（磁性壳层）的基态，而磁性三重态是块体材料（磁性核）中的基态。随机分布的磁自旋（S=1）的考虑表明，初始铁电纳米颗粒的磁性强烈地依赖于尺寸和温度，这是由于它们的介电常数的尺寸和温度依赖性以及与介电常数成比例的有效玻尔半径。考虑了温度-粒子半径坐标系中的相图.特别地，对于小于临界半径的颗粒半径，一旦磁缺陷的浓度超过磁逾渗阈值，铁磁长程序出现在厚度为5 - 50 nm的壳区域中。从平均场论出发，在磁缺陷与热能交换能量相等的条件下，计算了临界半径。对于颗粒半径高于临界值，只有顺磁相是可能的。讨论了窄尺寸分布函数纳米粒子组装中超顺磁态出现的条件。
2010-12-10 cond-mat.mtrl-sci
