第一作者：章曼
通讯作者：晏海学(伦敦大学玛丽皇后学院)，杨斌(切斯特大学)，张斗(中南大学)
通讯单位：伦敦大学玛丽女王学院；切斯特大学；中南大学
论文DOI:10.1021/acsami.1c00523.
1.通过实验与计算相结合，首次证明了铁电畴壁在太赫兹下具有介电响应，是介电理论的突破性进展。
2.在太赫兹频段，铁电畴壁具有较低的介电常数以及损耗，这一发现对铁电材料在太赫兹频段的应用有重大意义。
3.提出了一种新型介电存储器的工作模式。
本研究旨在揭示铁电畴壁在太赫兹频段下的介电响应。以铌酸铋钙(CaBi2Nb2O9)基铁电陶瓷（简称CBNRC）为研究对象，通过极化调控材料内部铁电畴的密度，研究了材料极化前后在不同频段的介电性能，并通过建立介电弹性振动模型，利用实验和理论模拟，首次证明了铁电畴壁在太赫兹频段具有介电响应，推翻了前人认为的铁电畴壁在太赫兹频段对于介电常数没有贡献的理论。实验结果证明，在太赫兹频段，铁电畴壁内部的单个偶极子具有较低的损耗且其对介电常数的贡献小于铁电畴。
本研究首次从实验及理论上解释了铁电畴壁在太赫兹频段的介电行为，是介电理论的突破性发现，同时也将有助于扩大铁电材料在太赫兹频段的应用范围。同时文中给出了具体应用实例，可以利用外场调制铁电畴密度实现一类新的存储技术---无挥发，无破坏读取的介电存储器。这类存储器，可以光读电写， 无挥发， 读取过程不破坏存储数据，与传统铁电存储相比， 优势明显。
铁电材料的性能与铁电畴壁密切相关。畴壁调控技术可用于优化材料的介电，压电及铁电性能，从而扩展其应用范围。截至目前，对铁电畴壁介电行为的研究主要集中在射频频段，而对其在太赫兹频段的研究为空白。其中一个原因是，传统介电理论认为铁电畴壁的介电弛豫频率在微波频段，其在频率更高的太赫兹频段无介电响应。这一认知限制了人们通过畴壁调控方法优化铁电材料在太赫兹频段的性能。从本质上揭示铁电畴壁在太赫兹频段的介电行为对于铁电材料在该频段的应用至关重要。
图1为CBNRC陶瓷极化前后在射频及太赫兹频段的介电常数及损耗。在射频频段，未极化样品具有较高的介电常数和损耗。在该频段下，材料在极化后介电常数及损耗的降低，这与铁电畴壁密度降低相关。而在太赫兹频段，极化后样品具有提高的介电常数和降低的介电损耗。这一结果与传统的介电理论相悖。
图1CBNRC陶瓷极化前后在不同频段下的介电性能。（a）射频，（b）太赫兹。
为解释这一结果，我们首先对铁电畴壁的显微结构进行了分析。如图2所示，铁电畴壁是由极化强度连续变化的电偶极子组成。与铁电畴内的电偶极子相比，这些电偶极子的极化强度较弱。随后，我们建立了介电弹性振动模型并计算了铁电畴和铁电畴壁内单个电偶极子对介电常数的贡献。结果显示，铁电畴壁内单个电偶极子对介电常数的贡献小于铁电畴内的电偶极子。
因而我们可以得出结论，铁电畴壁在低频与太赫兹频段具有不同的响应机制。在低频频段，铁电畴壁整体的运动能跟得上交流电场的变化，其作为整体对外加刺激做出响应，对介电常数有增强效果。但在太赫兹频段，铁电畴壁不能作为整体响应，但是单个弱化的偶极子仍然贡献于介电常数，尽管其对介电常数的贡献小于铁电畴内单个偶极子的贡献。极化以后，铁电畴壁密度降低，导致铁电畴长大， 对于高频段介电常数的贡献更加明显。从而解释了图1中的实验结果。
图2铁电畴、铁电畴壁的示意图及其动力学。（a）非180°畴；（b）180°畴；（c）非180°畴壁；（d）180°畴壁；（e）铁电畴及畴壁内偶极子自由能随电位移的变化；（d）铁电畴及畴壁中单个偶极子对介电常数的贡献。
最后，基于以上研究结果，作者提出了一种新型光电存储器模型，其工作原理如图3所示。通过对材料施加电场进行极化与退极化（数据写入），改变铁电材料内部铁电畴壁密度，从而改变其介电常数。介电常数的变化可同步被太赫兹光读取：极化材料具有低的铁电畴壁密度，即高的介电常数；退极化材料具有高的铁电畴密度，即低的介电常数。通过对介电常数设置一个阈值，低于该值被标记为‘0’，高于该值标记为‘1’，从而可以实现利用太赫兹光读取信号。该工作原理可以直接用于开发下一代的光电存储器，而且这类新的存储器与传统铁电存储器相比，读取过程不破坏原始数据， 无需重写输入。
图3新型介电翻转存储器工作原理示意图。（a）太赫兹读取示意图；（b）极化和未极化材料铁电畴壁密度变化；（c）太赫兹读取‘0’/‘1’态。
本研究首次从实验及理论上揭示了铁电畴壁在太赫兹频段下的响应机理，为介电理论的一大突破性进展，对铁电材料在太赫兹的应用有重大意义。
M. Zhang, Z. Chen, Y. Yue, T. Chen, Z. Yan, Q. Jiang, B. Yang*,M. Eriksson, J. Tang, D. Zhang*, Z. Shen, I. Abrahams, H. Yan*. "Terahertz Reading of Ferroelectric Domain Wall Dielectric Switching." ACS Applied Materials & Interfaces (2021).DOI:10.1021/acsami.1c00523.
晏海学博士为伦敦大学玛丽皇后学院高级讲师, 博导, 课题组长。他同时兼任英国纳米力(Nanoforce Technology Ltd)公司陶瓷领域首席科学家;伦敦大学玛丽皇后学院与西北工业大学联合实验室英方副主任。他是英国物理学会会员,美国化学学会会员。他是Materials Research Bulletin, Advance in Applied Ceramic, Journal of Advanced Ceramics三个期刊的编委。至今发表150多篇SCI文章(包含:Adv Mater, Adv Energy Mater.,Nano Energy, Chemostry of Materials, JMCA, JMCC, JPCC,J Am Ceram Soc,J Euro Ceram Soc, APL, JAP, Acta Mater, Macromolecules, ACS Nano, and Nature Comm.); H 因子=42, i10=115。
章曼，伦敦大学玛丽皇后学院博士研究生，研究方向为铁电，压电及光催化材料，同时涉及铁电材料在宽频谱下的介电行为研究。同时是BFTT低成本小规模回收易拉罐项目的博士后，项目网站：https://bftt.org.uk/funded_project/elvis-kresse-metal-forge-elvis-and-kresse/。
