【会员论文】npj CM丨中国科学院半导体研究所：κ-Ga₂O₃中受抑制铁电性的起源：极化与晶格畴壁的相互作用

        由中国科学院半导体研究所的研究团队在学术期刊 npj Computational Materials 发布了一篇名为Origin of suppressed ferroelectricity in κ-Ga₂O₃: interplay between polarization and lattice domain walls（κ-Ga₂O₃ 中受抑制铁电性的起源：极化与晶格畴壁的相互作用）的文章。

        NPJ Computational Materials是Springer Nature出版集团旗下计算材料科学领域国际顶尖期刊，涵盖理论模拟、材料设计与多尺度研究等重要方向。期刊连续多年入选“中国最具国际影响力学术期刊”，最新影响因子达11.9（2025年），五年影响因子为13.0，持续位列中科院一区。

        铁电材料具有可转换的非易失性极化、高击穿场强和低漏电流，是能量采集、传感器、自旋电子学和非易失性存储器等技术的关键基础。剩余极化和矫顽场是衡量铁电性能的核心指标，直接决定了器件的功耗、存储密度和可靠性。然而，在多种铁电体系中，实验观测值往往远低于理论预测。第一性原理预测值约为 23 μC/cm²，但实验测量值通常小于 8.6 μC/cm²。基于 Landau-Ginzburg 理论的理论预测值约为 3 MV/cm，而实验值通常小于 0.5 MV/cm，两者相差一个数量级。这种巨大的理论与实验差异严重挑战了现有标准物理模型的可靠性，阻碍了功能材料的理性设计。因此，急需发现缺失的物理机制来弥合这一差距。

        铁电材料中的剩余极化和矫顽力常被预测为较高值，但实验观测值却显著偏低，这种不一致性阻碍了功能材料与器件的合理设计。研究人员发现了导致这种差异的潜在机制：极化畴壁（PDW）与晶格畴壁（LDW）之间的相互作用，而标准模型对此忽略不计。以 κ-Ga₂O₃ 作为代表性铁电体，基于从头算分子动力学数据训练机器学习势能函数，以捕捉真实的极化切换过程。模拟揭示：当 LDW 取向为 120° 时，PDW 会发生拓扑阻塞，从而稳定残余域壁网络，该网络在抑制剩余极化的同时，通过绕过缓慢成核过程实现快速低场切换。随着晶格域缩小，阻塞效应增强，为通过晶格域工程调控铁电性能提供了新策略。该机制不仅消解了理论与实验的矛盾，更开辟了提升铁电性能的实用路径。

        ● 论证了实际样品中普遍存在的晶格畴壁是如何通过拓扑阻滞极化翻转，从而影响铁电宏观性能。

        ● 在三维体材料 κ-Ga₂O₃ 中发现了通常只在二维层状材料中讨论的类滑动翻转路径。

        ● 探究了随着晶格畴尺寸的缩小，阻滞效应会增强，为通过调控晶格畴来优化铁电响应提供了新思路 。

        研究团队揭示了铁电极化域壁（PDW）与晶格域壁（LDW）相互作用产生的非平凡铁电翻转机制，并阐明该机制如何弥合 κ-Ga₂O₃ 中实验观测与理论预测之间的差距。通过结合密度泛函理论、长程机器学习力场及大规模分子动力学模拟，我们发现面外极化通过面内剪切与 Ga-O 层滑动实现翻转，从而确立 κ-Ga₂O₃ 属于滑移型铁电体。模拟精准捕捉了电场驱动的双阶段翻转过程：先发生缓慢成核，继而出现快速域壁运动。实验观测到两种面内壁： (100) 壁移动速度是 (010) 壁的两倍，后者在低场下遵循 Merz 定律。这些数据使实验测得的低矫顽力与 Kolmogorov-Avrami-Ishibashi 模型相协调。关键在于，真实样品中存在的 120° 长程无序域可通过拓扑效应终止面内壁传播。这种钉扎效应形成由残余 PDW 与 LDW 构成的稳定网络。该网络将剩余极化降至其固有值的数分之一，却持续提供成核种子，从而实现触发后快速低场开关。本研究揭示了滑移铁电体的通用机制，丰富了高速低功耗铁电器件的域结构设计，并为其他铁电体系研究提供了可迁移的理论框架。

        本研究得到中国国家重点研发计划（2022YFB3605400）、中国青年科学基金博士后基金（GZB20240720）及中国博士后科学基金项目（2024M763182）资助。项目得到国家自然科学基金（12174380），国家自然科学基金（22533001）的支持。

图1. κ-Ga₂O₃ 基本单元胞的结构与极化反转机制。a) 正交基本单元胞的原子构型，展示沿极性[001]轴排列的四层结构及四种非等效 Ga-O 多面体（绿色：Ga，红色：O）。沿[001]轴的箭头指示自发极化方向。b) 通过 Berry 相位法计算的极化分布及 NEB 法获得的极化翻转路径能垒剖面。c) 至 e) 相变过程中原子位移的侧视图：c) 初始+P态，d) 中间顺电态，e) 最终-P 态。f) 和 g) +P 态与 -P 态的顶视图，显示层 α 沿 [100] 方向的相对滑移矢量 μ。采用 VESTA 软件可视化的三维原子结构。

图2. DPLR 模型的准确性。a) 至 c) 分别展示 DP 与 DFT 在能量、原子力及 WC 位置方面的基准比较。WC 位置指电子中心相对于对应离子的位移。插图为平均绝对误差。d) DP 模拟的声子色散关系。

图3. κ-Ga₂O₃ 单晶（10 nm × 10 nm）中的极化翻转动力学。快照 a) 至 f) 展示了沿 [00-1] 方向施加电场时铁电相变的时间演化，分别在 0、860、980、1230、1450 和 2570 fs 时拍摄。温度设定为 300 K。红色、蓝色和绿色区域分别代表初始 +P 铁电相、中间顺电相及反转的 −P 铁电相。在图 d) 中，两个代表性极化域壁，PDW₍₁₀₀₎ 与 PDW₍₀₁₀₎，以红色矩形标出。子图 g) 和 h)、i) 和 j) 分别展示 PDW₍₁₀₀₎ 与 PDW₍₀₁₀₎ 的原子构型。两条灰色虚线间的区域为域壁分布区，不同区域的序参量由青色箭头标示。

图4. 不同外场条件下极化切换与 PDW 传播速度。a) 从预成核构型出发，在不同施加电场下切换域比例随时间演变。在 0.4 MV/cm 电场下，纯蓝色、天蓝色和红色曲线分别表示 100 K、300 K 和 500 K 温度下切换比例的时间演变。b) 300 K 下电场与 PDW₍₀₁₀₎ 传播速度的关系。插图显示高电场区域（红色散点）中速度与电场成正比。当ε_ext≥4 MV/cm（浅蓝色散点）时，PDW₍₀₁₀₎ 传播遵循 ln(v)~1/ε_ext 规律，即 Merz 定律。

图5. κ-Ga₂O₃ 中旋转 120° 的晶格域模型的原子级构型与能量分布。a) 面内三个晶格域 A、B、C 及其 120° 线性域（LDW）示意图（黑线）。青色箭头标示各域中的序参量（滑移矢量）。b) 用于 DPLR 模拟的大尺度超胞（~17.6 nm）。黑线为 LDW，绿圈标记交界处。c) 先前研究获得的实验 XRD 图谱与 b) 超胞模拟的 XRD 图谱，均呈 [001] 投影。d) 接合区 1 与 e) 接合区 2 附近的原子构型示意图。f) 能随域尺寸变化曲线，其中能量零点对应理想单晶的总能值。

图6. LDW 钉扎 PDW 传播示意图。a) 极化域 A⁻ ∕ A⁺ 与晶格域 A ⁺ ∥ B ⁺ 的域配置。浅蓝色和黑色线分别代表 PDW 和 LDW。b) 极化域 B⁻ ∕ B⁺ 与晶格域 A⁻ ∥ B⁻ 的域配置。PDW 从域 A（A⁻ ∕ A⁺）向域 B（B⁻ ∕ B⁺）传播。

图7. A⁺ ∥ B⁺ ∥ C⁺ 多域模型中的场驱动切换与剩余极化。a) 和 b) 在 [00-1] 方向电场作用下，550 fs 和 900  fs 时生长晶核与永久双极域的瞬态图像。c) 1.8 ps 关场后稳定的磁畴图；残余 PDW 仍钉扎于 LDW 上。d) 关场后体积切换百分比随时间变化。颜色标示驱动场移除前的不同持续时间。系统在 80 ps 内达到平衡。e) 驱动场持续时间与最终切换百分比的关系。f) 剩余极化强度随晶格域尺寸变化的计算结果；两条垂直线标记实验域尺寸范围（5-20 nm）。分子动力学模拟中温度设定为 300 K。

图8. A⁺ ∥ B⁺ ∥ C⁺ 多域模型中的场驱动切换。a) 具有正剩余极化的初始域排列（配置 1）。b) 施加驱动场后的配置（配置 2）。这两种极化配置取自 300 K 条件下的多域轨迹。c) 驱动电脉冲作用下剩余极化的时域演化（最大强度：3 MV/cm）。d) 正向（+P → −P）与反向（−P → +P）切换示意图。红色与绿色区域分别表示 +P 区和 −P 区。

DOI：

doi.org/10.1038/s41524-026-02022-z