正文開始之前，向大家推薦一個非常值得關注的中文期刊，也是今天推文的來源——《物理學報》。這是我國最老、載文量最大、影響面最廣泛的物理類中文學術期刊，在我國物理學界以及中國科技期刊界都具有重要的影響。近年來，學報面向國際學科發展的前沿領域，組約論文，策劃綜述文章專題，刊登了一大批由國家科研資助的優秀科研工作和成果。這些內容質量非常高，值得多讀，我們將與大家一起閱讀分享。十分感謝《物理學報》授權轉載相關內容。祝願《物理學報》內容越來越精彩，越辦越好！
——鐵電群、ferroelectrics編輯部
鐵電材料(ferroelectrics) 因其電極化(P ) 與電場強度(E ) 間存在與鐵磁性材料(ferromagnetics)中磁化強度(M ) 與磁場強度(H ) 間相似的滯回關係而得名。1920年法國科學家Joseph Valasek 首次在羅息鹽(酒石酸鉀鈉，C4O6H4KNa) 中觀察到鐵電現象。Valasek 不僅明確認識了鐵電現象的主要特徵：永久自發電極化及極化翻轉中的滯回現象，更對相變或居裡點、可逆電極化和疇結構等鐵電材料的本質因素開展了系統的研究。然而由於羅息鹽機械強度較低且易吸水潮解，鐵電現象僅具有科學意義，鐵電材料及其技術應用發展緩慢。
直至20 世紀50 年代人們在具有鈣鈦礦結構的鈦酸鋇(BaTiO3) 中發現了室溫強鐵電性才真正開啟了鐵電材料大規模應用的時代。對鈣鈦礦結構氧化物的深入研究不僅繼而發現了鋯鈦酸鉛(PbZrO3-PbTiO3) 這一迄今為止最重要的壓電材料，更帶動了鐵電理論的發展。A. F. Devonshire 基於鈣鈦礦氧化物鐵電材料提出的「雙勢阱」唯像理論至今仍是理解鐵電材料電極化響應的重要理論工具。經過一個世紀的發展，鐵電材料早已成為現代信息技術不可或缺的基石之一。以鈦酸鋇等高介電常數鐵電材料為介質層的多層陶瓷電容器，以鋯鈦酸鉛壓電陶瓷為基本功能單元的微機電換能器、驅動器等已經成為對國家信息產業發展具有戰略意義的關鍵基礎電子元器件。
近年來，原子尺度材料製備及結構性能表徵手段的進步推動了鐵電材料的又一輪蓬勃發展。對鐵電材料中電荷、自旋、軌道與晶格自由度關聯耦合作用的深入研究帶來了極性渦旋疇、極性斯格明子等新極性拓撲物態的發現，極大地豐富了鐵電材料的物理內涵。納米疇工程、締合缺陷誘導等鐵電材料性能優化新範式的提出與發展，大幅提高了鐵電材料的介電常數、壓電係數、放電能量密度等關鍵性能指標，為新一代高性能電子元器件奠定了堅實的基礎。二維鐵電體、柔性無機鐵電材料、分子鐵電體等新的鐵電材料體系層出不窮，為新一代半導體器件及柔性電子技術發展提供了有力支撐。鐵電材料的應用領域日益拓展，在超高功率靜電儲能電容器及全固體電卡製冷器件等新領域顯示出優越的性能和良好的應用前景。百年鐵電，風華正茂。
受編輯部委託，客座編輯沈洋老師邀請了國內若干位活躍於鐵電材料研究前沿的中青年學者撰文，對近年來鐵電材料領域的部分熱點進行總結回顧。其中既包括對二維鐵電體、柔性無機鐵電材料、新型鐵電拓撲結構、儲能電介質材料等領域的短篇綜述，也包括報導弛豫鐵電、壓電及電卡效應的研究短文。組稿期間恰逢新冠肺炎疫情肆虐，全體作者均如約交稿，殊為不易。希望本專題能對國內鐵電材料研究的學術交流做一點貢獻。
百歲鐵電: 新材料、新應用專題編者按
物理學報. 2020, 69 (21): 210101
doi: 10.7498/aps.69.210101
魏曉薇，陶紅，趙純林，吳家剛
物理學報. 2020, 69 (21): 217705
doi: 10.7498/aps.69.20200540
壓電陶瓷作為一種能夠實現機械能和電能相互轉換的功能材料，在民用和軍事方面都有著廣泛應用。隨著人們環保及健康意識的提高，高性能兼具環境協調性的無鉛壓電陶瓷的研究成為了一項緊迫任務。在眾多無鉛材料中，(K, Na)NbO3(KNN)基陶瓷因其優異的綜合性能而受到關注，但是利用相界同時調控高壓電和電卡性能的研究偏少。本文採用傳統固相方法製備了0.944K0.48Na0.52Nb0.95Sb0.05O3-0.04Bi0.5(Na0.82K0.18)0.5ZrO3-1.6%(AgxNa1–x)SbO3-0.4%Fe2O3 (x =0—1.0)無鉛壓電陶瓷，重點研究了AgSbO3/NaSbO3對陶瓷相結構、壓電和電卡性能的影響。研究結果表明:陶瓷在研究組分範圍內均為「三方-正交-四方」三相共存；隨著AgSbO3含量的增加，該陶瓷的壓電及鐵電性能均有所波動(d33 =518—563 pC/N, kp =0.45—0.56, Pmax =21—23 μC/cm2和Pr =14—17 μC/cm2)。同時，利用間接法表徵了該陶瓷的電卡效應，在居裡溫度附近得到了較高的電卡溫變值(>0.6K)。因此，在KNN基陶瓷中通過相界構建能夠同時實現高壓電和良好的電卡性能。
Landau-Devonshire理論探究不同類型鐵電材料的電卡效應
高榮貞，王靜，王俊升，黃厚兵
物理學報. 2020, 69 (21): 217801
doi: 10.7498/aps.69.20201195
近年來，低成本、高效、環保的電卡效應製冷材料得到了廣泛研究，其中包括無機鈣鈦礦、有機鈣鈦礦、有機聚合物、分子鐵電材料和二維鐵電材料等。這些不同鐵電材料的相變類型和電卡性能各異，而造成其差異的物理起源尚不明確。本文選擇傳統無機鈣鈦礦BaTiO3, PbTiO3和BiFeO3，有機鈣鈦礦[MDABCO](NH4)I3,有機聚合物P(VDF-TrFE),分子鐵電體ImClO4和二維鐵電體CuInP2S6這七種材料，利用Landau-Devonshire理論，研究並對比了其溫變、熵變和電卡強度。通過分析自由能與極化之間的關係發現，在相變點附近，鐵電材料的自由能勢壘高度隨溫度的變化率越大，造成的極化隨溫度的變化率越高，而材料的電卡性能也越優異。本文揭示了不同類型鐵電材料電卡性能差異的物理起源，為進一步開發具有高電卡性能的鐵電材料提供理論指導。
王宇佳，耿皖榮，唐雲龍，朱銀蓮，馬秀良
物理學報. 2020, 69 (21): 216801
doi: 10.7498/aps.69.20201718
鐵電拓撲結構因其尺寸小而且具有優良的物理特性，有望應用於未來高性能電子器件中。本文從應變、屏蔽和外場等對於鐵電材料至關重要的幾個外部要素出發，結合薄膜厚度等材料內部參數,針對PbTiO3和BiFeO3這兩種典型的鐵電材料，簡要總結新型鐵電拓撲結構的形成及其在外場作用下的演變規律。利用具有亞埃尺度分辨能力的像差校正透射電子顯微術呈現了相關拓撲結構的原子結構圖譜，構建了針對PbTiO3體系的厚度-應變-屏蔽相圖，系統歸納了兩種材料中各種拓撲結構的形成條件。最後指出這兩類鐵電材料中易於調控出拓撲結構的幾何維度體系，並指出像差校正透射電子顯微術在表徵鐵電拓撲結構方面的重要作用，展望了未來可能的關注重點。
鐵電納米結構中奇異極化拓撲疇的研究新進展
楊文達，陳洪英，陳龑，田國，高興森
物理學報. 2020, 69 (21): 217501
doi: 10.7498/aps.69.20201063
鐵電體中極化拓撲疇(如渦旋疇)有望帶來一系列新穎物理現象、新性能和新應用前景(如存儲器件應用),從而引起了廣泛興趣。尤其是近年來在鐵電納米結構中發現了一系列有趣的新奇極化拓撲疇態，例如渦旋、中心疇、斯格明子、麥韌(Meron,也有稱半子)等，引發了新一輪探索熱潮。這些發現為進一步探索其中蘊含的豐富多彩的物理現象創造了條件，也為調控和設計高性能材料和器件提供了新的基元和序構，從而形成拓撲電子學的概念。過去十年，這一領域經歷了快速發展，成長為鐵電物理領域的前沿熱點。本文將回顧近年來在鐵電納米結構中奇異極化拓撲疇的研究新進展，並簡要討論了該領域所存在的問題和潛在發展方向。
電荷媒介的磁電耦合: 從鐵電場效應到電荷序鐵電體
安明，董帥
物理學報. 2020, 69 (21): 217502
doi: 10.7498/aps.69.20201193
磁電耦合效應是百年鐵電領域中新興的科學話題和前沿難點。包含兩種及以上鐵性序的多鐵性材料則是追求本徵強磁電耦合的理想體系，其展現了豐富的物理性質,蘊含著很高的應用潛力。作為關聯電子大家庭的一個分支，多鐵性材料體系也涉及電荷、自旋、軌道，以及晶格多重自由度。但過往的磁電耦合研究對自旋與晶格自由度關注最多，卻往往忽略了其中的電荷自由度。實際上，電荷自由度可以在磁電耦合中扮演重要的媒介作用。本文將介紹異質結中的鐵電場效應和單相多鐵性材料中的電荷序所涉及的磁電耦合物理機制，以及回顧作者近年來在此方向上的若干嘗試，希望能為本領域的研究者提供一些參考。
面向高溫介電儲能應用的聚合物基電介質材料研究進展
董久鋒，鄧星磊，牛玉娟，潘子釗，汪宏
物理學報. 2020, 69 (21): 217701
doi: 10.7498/aps.69.20201006
介電儲能電容器以其充放電速度快、功率密度高等優點，在現代電子和電力系統中得到了廣泛應用。目前，與可再生能源相關的新興產品,如混合動力汽車、併網光伏發電和風力發電、井下油氣勘探等，對於介電儲能電容器的高溫儲能性能提出了更高的要求。本文總結了近年來關於聚合物及其納米複合電介質材料的高溫介電儲能研究中的代表性研究進展，為該領域科研工作者進一步研究提供參考。首先介紹了電介質材料儲能的物理機理，並對電介質材料的幾種電導機制進行了總結和分析；接下來介紹了目前提高聚合物基電介質材料高溫儲能性能的幾種方法，包括納米複合改性和相關的層狀結構設計，以及高分子聚合物的分子結構設計和化學交聯處理等;最後對聚合物基電介質材料在高溫儲能應用領域中尚待解決的科學技術問題進行了討論，並展望了未來可能的研究方向。
鈦酸鋇基/聚偏氟乙烯複合介質材料的界面改性與儲能性能
王嬌，劉少輝，陳長青，郝好山，翟繼衛
物理學報. 2020, 69 (21): 217702
doi: 10.7498/aps.69.20201031
隨著功率型電子器件設備向小型化和高性能化方向發展，迫切需要高儲能密度、高充放電效率、易加工成型、性能穩定的介質材料。目前BaTiO3基介電陶瓷具有較高的介電常數，但耐擊穿場強低、柔性差，而聚合物基電介質材料具有超高功能密度、超快的充放電響應時間、良好的柔韌性、高耐擊穿場強、質量輕等優點，但聚合物材料本身存在介電常數較低、極化強度低等問題，因此導致兩者儲能密度較低，限制了在小型化功率型電容器元件中的應用。為了獲得高儲能性能材料，科學家提出通過複合的方式將高介電常數無機陶瓷填料加入到聚合物中,提高材料的儲能性能，界面在材料的性能中扮演著至關重要的角色，本文綜述了鈦酸鋇基/聚偏氟乙烯複合電介質材料界面設計和控制的最新研究進展。總結了偶聯劑、表面活性劑表面改性、聚合物殼層表面修飾、無機殼層表面改性、有機-無機殼層協同改性等界面改性方法對複合材料極化和儲能性能的影響，探討了現有的界面模型與理論研究方法，概述了存在的挑戰和實際局限性，展望了未來的研究方向。
壓電效應—百歲鐵電的守護者
李飛，張樹君，徐卓
物理學報. 2020, 69 (21): 217703
doi: 10.7498/aps.69.20200980
作為電介質大家庭的重要成員，鐵電材料以其蘊含豐富的物理性質而聞名，並因此吸引了大量科技工作者。壓電效應是鐵電材料最為重要的物理性質之一，同時也是目前鐵電材料所有物理性質中應用最為廣泛的。例如：水聲聲吶系統、醫療超聲探頭、壓電驅動器等器件的核心壓電元件均為鐵電材料。本文將以時間為軸，重點介紹鈦酸鉛基鐵電材料壓電效應的發展歷史，同時討論鐵電材料微觀結構、極化狀態與壓電效應之間的構效關係。本文涉及到影響鐵電材料壓電效應的一些重要因素，如：「準同型相界」、「軟性摻雜」、「極化旋轉」、「局域結構無序」等，希望能夠在鐵電功能材料的設計方面給予讀者啟發。
晶粒尺寸對鈣鈦礦型壓電陶瓷壓電性能的影響
劉亦軒，李昭，湯浩正，逯景桐，李敬鋒，龔文，王軻
物理學報. 2020, 69 (21): 217704
doi: 10.7498/aps.69.20201079
壓電陶瓷能夠通過正/逆壓電效應實現電能與機械能之間的相互轉化，在電子信息、通信、傳感等領域中具有廣闊的應用前景。壓電陶瓷的壓電性能對晶粒尺寸極為敏感，其晶粒尺寸效應的研究受到了廣泛關注。本文對目前應用較多的幾類鈣鈦礦型壓電陶瓷，包括鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮酸鉀鈉、鈦酸鉍鈉陶瓷的壓電性能晶粒尺寸效應的研究與進展進行了綜述；總結了這些體系中晶粒尺寸的調控方法，晶粒尺寸效應的表現規律，同時回顧了相關物理模型與理論機制。本文為系統理解壓電性能的晶粒尺寸效應提供了指導，並對壓電陶瓷晶粒尺寸效應的未來研究方向做出了展望。
高儲能密度鐵電聚合物納米複合材料研究進展
沈忠慧，江彥達，李寶文，張鑫
物理學報. 2020, 69 (21): 217706
doi: 10.7498/aps.69.20201209
介電電容器具有超高功率密度、低損耗以及高工作電壓等優點，是廣泛應用於電子電力系統的關鍵儲能器件。鐵電聚合物是發展高儲能密度電介質薄膜材料的理想選擇，而基於鐵電聚合物的納米複合材料則兼具了聚合物的高擊穿場強、柔性、易加工等特點以及陶瓷的高介電性能，是近年來電介質儲能材料研究的前沿與熱點。本文首先介紹了鐵電聚合物材料的製備、鐵電性能以及極化特性的調控方法，隨後總結了鐵電聚合物納米複合材料中納米填料、複合結構以及界面三個關鍵調控策略對複合材料介電與儲能性能的影響，並探討了基於相場方法的納米複合材料中介電與儲能特性的微觀機制研究，最後對高儲能密度鐵電聚合物納米複合材料現存問題以及未來發展方向進行了總結與展望。
二維層間滑移鐵電研究進展
鍾婷婷，吳夢昊
物理學報. 2020, 69 (21): 217707
doi: 10.7498/aps.69.20201432
近年來有一系列二維範德瓦耳斯材料鐵電性被實驗證實，層間滑移鐵電體是其中重要的一類，該機制是傳統鐵電所沒有，而很多二維材料普遍具有的。本文回顧了相關研究，介紹了這種鐵電的起源：不少二維材料雙層中上下兩層並不對等，造成淨層間垂直電荷轉移，而層間滑移使該垂直鐵電極化得以翻轉。這種獨特的滑移鐵電可廣泛存在於範德瓦耳斯雙層、多層乃至體相結構中，層間滑移勢壘較傳統鐵電低幾個數量級，有望極大節約鐵電翻轉所需的能量。目前這種滑移鐵電機制已在WTe2和β-InSe雙層/多層體系得到實驗證實，不少預期極化更高的滑移鐵電體系(如BN)也有望在近期實現。
柔性無機鐵電薄膜的製備及其應用
藍順，潘豪，林元華
物理學報. 2020, 69 (21): 217708
doi: 10.7498/aps.69.20201365
無機鐵電薄膜材料有著優異的電、光特性，被廣泛應用於介電、信息存儲、壓電、光電等領域。然而，基於單晶剛性基底和高溫、含氧的合成環境的傳統製備工藝，大大限制了其在柔性電子器件中的應用。實現無機鐵電薄膜材料的柔性化可以將這些材料的性能優勢進一步應用到可穿戴電子器件中，是下一代可穿戴電子器件領域的重要發展方向。本文綜述了無機鈣鈦礦結構鐵電薄膜的柔性化製備工藝，包括直接在柔性基底上生長和將鐵電薄膜從剛性基底上剝離、轉印到柔性基底兩類。並介紹了柔性無機鐵電薄膜的應用，對其研究現狀及未來發展進行了總結與展望。
鈣鈦礦型鐵電氧化物表面結構與功能的控制及其潛在應用
裴明輝，田瑜，張金星
物理學報. 2020, 69 (21): 217709
doi: 10.7498/aps.69.20200884
鈣鈦礦型鐵電氧化物由於具有本徵的、非易失的、可翻轉的自發極化以及帶有高電荷密度的極性表面等特性，被認為是最有前途的功能材料之一。研究鈣鈦礦型鐵電氧化物的表面結構對理解其表面/界面能量轉化、調控表面物質吸附和脫附、控制界面化學反應、以及設計穩定的低功耗電子器件具有重要意義。本文首先概述了鐵電相與其表面結構的關係,並介紹了鈣鈦礦型鐵電氧化物複雜表面結構的形成；之後闡述了鐵電錶面/界面結構的調控機制，為後續的鈣鈦礦型鐵電氧化物的表面結構設計、表面性能與功能的控制提供了研究基礎；最後介紹了鐵電氧化物表面/界面的功能調控和潛在器件的設計，並結合目前鐵電材料領域表面科學研究的局限性，對今後基於鈣鈦礦型鐵電氧化物表面結構的研究發展以及應用前景提出了展望。
二維本徵鐵電體及其多鐵耦合的研究進展
葉倩，瀋陽，袁野，趙禕峰，段純剛
物理學報. 2020, 69 (21): 217710
doi: 10.7498/aps.69.20201433
鐵電材料因其具有可被外場調控的電極化狀態，以及在傳感器、光電器件和信息存儲器件中具有潛在應用前景，所以一直以來都是凝聚態物理領域的研究熱點。隨著微電子集成技術的飛速發展，電子器件日益趨於微型化、集成化和多功能化。傳統塊體鐵電材料因受尺寸效應、界面效應等因素影響，難以滿足此發展需求，因而低維鐵電材料引起了學術界的廣泛關注。近年來，實驗上已成功製備出穩定的室溫二維鐵電材料，第一性原理計算等理論方法對新材料的預測和設計也促進了二維鐵電材料的發展。同時，利用二維鐵電性與鐵谷性、磁性的多鐵耦合效應，可以實現電控谷極化、電控磁性等調控機制。多重自由度的相互耦合，會產生如能谷間圓(線)偏振光學選擇性、量子自旋霍爾效應等奇異物理特性，對於自旋電子學、谷電子學及光學的發展具有重大的意義。本文首先介紹近年來新型二維鐵電材料在理論和實驗方面的研究進展，以及二維鐵電材料在鐵電隧道結、鐵電二極體等二維鐵電器件中的應用。其次闡述了二維電控鐵谷性和電控磁性的多鐵耦合效應及其衍生出的新物理現象和機制。最後對二維鐵電材料和其他物理性質耦合所具有的豐富物理內涵和廣闊應用前景，進行了分析與探討。