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2018年8月21日，Nature（《自然》）在線發表了題為「Resonant domain-wall-enhanced tunable microwave ferroelectrics」（《疇壁諧振增強的可調製微波鐵電體》）的研究論文。署名單位為Drexel University，顧宗銓博士為第一作者，Jonathan Spanier教授為通訊作者。
不同於介電材料，鐵電材料在其居裡相變溫度（Tc）之下具有自發的電極化。自1920年被發現以來，鐵電極化在外加電場下的調控行為已被廣泛應用於驅動，儲能以及傳感等器件中。近年來，存在於相鄰鐵電疇間的疇壁被發現可以大大增強材料的物理性能。例如在外加電場作用下，疇壁的移動可以大大增強材料的介電性能；以及近來發現的鐵電疇間的電導調製行為已被視為實現新一代高速存儲器的解決方案。
現代通訊中的大容量數據傳輸對頻譜的有效使用提出了很高的要求，其對頻率的選擇可通過調製微波電路中相應的阻抗來實現。鈣鈦礦結構的鐵電體薄膜的電容值可受外加電壓控制，從而形成對薄膜阻抗的調製，達到對頻率的選擇作用。在常用的微波通信L，S，C，X（1 – 12 GHz）波段中，鈣鈦礦鐵電體的鈦酸鍶鋇（BaxSr1-xTiO3）薄膜已被應用於微波器件，如帶通濾波器中。然而長久以來，當薄膜處於鐵電相時在相鄰鐵電疇間形成的疇壁被認為會降低微波傳輸的質量因子（Q），從而帶來信號損耗。為了解決這一問題，一個常用對策是將薄膜的居裡相變溫度降低到室溫以下，使得薄膜在室溫工作時處於順電相（薄膜中無鐵電疇）。然而，穩態順電相會顯著降低薄膜的電容調製比率n（外加電壓下，最大與最小電容的比值）。因此，在傳統鐵電體微波電容中，質量因子Q和電容調製比n總是相互制約，限制了其進一步的應用。5G通訊技術以及物聯網的興起，對頻譜的更精細化使用和信號傳輸質量提出了更高的技術要求，採用傳統壓電效應工作機制的器件已經很難達到要求。
圖1：（a）Ba0.8Sr0.2TiO3關於溫度T和應力us的相圖；（j）實驗測得微波頻率下（100 MHz — 15 GHz）的電容調製比n，以及和其他最好性能的薄膜微波可調電容的比較。
為了解除Q和n的互相限制，通過選取合適的襯底對Ba0.8Sr0.2TiO3施加微弱的拉伸應力，在薄膜中形成了90°頭尾相接的平行於薄膜平面的鐵電疇（圖1a中的示意圖所示）。在室溫下，因為薄膜被施加的應力值極小並且十分接近居裡相變溫度，電容調製比n值在100 MHz至10 GHz間，其平均值高於13，數倍於之前報導的其他鈣鈦礦薄膜的可調電容（圖1j所示）。
圖2：(a)(b)薄膜樣品在不同電極尺寸下，1 GHz至10 GHz測得的質量因子Q關於電場E的諧振譜；(c)圖a和b中在每個頻率的質量因子Q的最大值.
採用傳統壓電效應的可調電容中，質量因子Q的諧振峰均為分立，且在電場調製作用下一般只有幾百MHz的變化。作為對比，鐵電相Ba0.8Sr0.2TiO3薄膜的質量因子Q在1 GHz至10 GHz的測量頻譜內，其平均值在100至1000之間，受電場作用連續可調；並且其諧振峰不隨電極尺寸而變化，進一步驗證了其工作機制不是壓電效應（圖2a，2b所示）。
為了解釋試驗中觀察到的高電容比率n和連續的質量因子Q諧振譜，利用分子動力學模擬了BaTiO3薄膜在微波頻率下，稍低於居裡相變溫度時的原子運動軌跡。經過計算發現，因薄膜工作溫度十分接近居裡相變溫度，導致跨越相鄰疇壁間的能量壁壘顯著降低，在微波信號的激勵下，相鄰鐵電疇中的極化翻轉引起了鐵電疇壁的諧振，而其諧振頻率可受外加電場調製，從而形成連續諧振譜。形成此疇壁諧振的關鍵在於工作溫度十分接近居裡溫度，使得薄膜處於弱鐵電相中，從而降低極化翻轉勢壘；同時，其疇壁區域因接近居裡溫度而增大，從而使得疇壁諧振的對品質因子Q的增強作用不會被薄膜中的塊體區域所掩蓋。
復旦大學江安全教授點評道：
這是理論模擬與實驗結果完美結合的典範：通過薄膜與襯底的晶格匹配應力，調控鐵電居裡溫度接近室溫附近，產生了大量的微疇，具有較高的疇壁密度；微疇壁的振動具有較低的能量損耗，馳豫時間接近了微波激勵頻率，對微波介電響應產生了巨大的貢獻；在直流偏壓的作用下，電疇長大，疇壁密度減小，同時馳豫時間延長，介電響應急遽下降，實現了電容的寬頻微波調製，同時Q品質因子接近100-1000。而基於傳統壓電效應的鐵電薄膜器件一般無法突破幾百MHz最高頻率的介電響應極限。作者從分子動力學角度，運用微疇壁振動模型很好地解釋了實驗結果，為未來鐵電薄膜器件在微波通信領域中應用鋪平了道路。
清華大學於浦教授也對此項工作做出點評：
鐵電材料在信息存儲、壓電效應、光電轉換、傳感等領域具有重要的應用前景。尤其是近年來絕緣鐵電疇璧處顯著增強局域電導，疇璧增強的巨大光電壓響應等一系列新奇功能特性為鐵電材料的應用和探索賦予了更多可能性。在該工作中，顧宗銓博士等人藉助鐵電疇璧的增強效應完美展示了鐵電材料在微波調控領域的優越特性，為鐵電材料尤其是其疇結構的應用賦予了新的活力。
Drexel University的顧宗銓博士與Jonathan Spanier教授設計了研究工作。整個項目得到了加州大學伯克利分校Lane Martin教授，Bar-IIan大學Ilya Grinberg教授, 加州大學聖塔芭芭拉分校Robert York教授，以及賓夕法尼亞大學Peter Davies教授團隊的大力協助。
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