1920年，法国科学家JosephValasek在实验中发现了铁电现象。100年来，相关基础研究和应用探究层出不穷。近日，Nature Materials发表的社论，对铁电材料百年发展史上的重要里程碑进行了回顾。

压电vs铁电

铁电材料是一类特殊的压电材料。对于压电材料，相信大家并不陌生：一方面，在应力作用下，压电材料能产生电荷；另一方面，在电场作用下，压电材料能产生应力。日常生活中，压电现象得到了广泛应用，例如，医用超声波和打火机火花的产生都用到了压电材料。

铁电材料则更为突出——在压电材料中具有最大的电场响应，是一类开关材料。独特之处在于，低于某一临界温度时，铁电材料具有永久电极化，且一个大于矫顽电场的外加电场能使材料的极化反转。极化反转表现出滞后现象（历史效应），且伴随着晶体结构变化。

起源：铁电现象的发现

铁电材料（ferroelectrics）与铁磁材料（ferromagnets）的英文单词前缀都是“ferro”，这种命名源于二者之间性质的相似性：永久电极化vs永久磁（极）化；电极化滞后于电场vs磁化滞后于磁场。

1920年，正在美国明尼苏达大学读研究生的Joseph Valasek观察到了永久电极化和滞后效应，这一成果标志着铁电现象的正式发现。在这之前，已有实验表明酒石酸钾钠在外力/电场作用下呈现出“异常”响应——压电电荷产量与外力不成线性关系，或介电性质随施加的电压而变化。在此基础上，Joseph Valasek证实了酒石酸钾钠晶体中永久电极化和滞后效应的存在，并于1920年4月在美国物理学会的会议上展出研究成果。同年12月，Joseph Valasek向《PhysicalReview》递交了论文稿件，在文中列出了铁电材料与铁磁材料的相似性，并强调了酒石酸钾钠区别于其他材料的特点。

图1. 偏振光下的罗谢尔盐（Rochelle salt，酒石酸钾钠）——表明存在不同的铁电畴区。

发展：寻找铁电材料&理解铁电现象

随着酒石酸钾钠中铁电现象的发现，研究人员开始寻找其他铁电材料。在铁电现象被发现13年后，Paul Scherrer和GeorgBusch发现磷酸二氢钾（KDP）在~122 K以下为铁电相。然而，酒石酸钾钠和磷酸二氢钾这两种铁电材料具有水溶性和脆性，因此其应用受到限制。

直到BaTiO₃中强稳铁电性的发现，铁电材料的军事和商业用途（例如超声波装置和铁电存储器）才走向可能。随后，其他钙钛矿型氧化物也相继被研究，导致了PbZrO₃–PbTiO₃体系和BaTiO₃衍生体系的发现，这两者目前已分别被用作压电材料和电容器。

值得指出的是，对于BaTiO₃而言，其简单的结构为研究铁电相变中的晶体结构变化提供了方便，也使得A. F. Devonshire在20世纪五十年代建立了铁电现象的唯象模型——将铁电材料的自由能描述为两极化态之间存在一能垒的双阱势。该模型对于理解铁电体的性质十分重要。

20世纪下半叶，铁电材料领域依旧存在大量研究。例如，Rolf Landauer于1976年指出，由于铁电切换需要克服自由能能垒，自由能曲线图中必定存在局部曲率为负的地方，相应的电容也应为负值。直到前不久，研究人员才发现负电容具有电压放大的功能，并在铁电薄膜中观测到了负电容。此外，双阱势模型也在Hf_0.5Zr_0.5O₂中被证实。块体Hf_0.5Zr_0.5O₂不具有铁电性，而薄膜形式则具有，说明生长方法也起着重要作用。

最近，Darrell Schlom等人提出了一种原子尺度的“靶向化学压力”策略，基于此制备了具有亚稳铁电性的(SrTiO₃)_n−m(BaTiO₃)_mSrO超晶格。该材料表现出非常低的介电损耗以及较好的介电调谐率，在微波器件和无线5G应用方面具有重要前景。

结语

铁电材料已经走过整整一个世纪，研究人员在材料制备、理论研究、实际应用等方面取得了巨大的进步。针对其后续发展，《Nature Materials》社论给出了预期——铁电材料的第二个100年将同样硕果累累。

参考文献：

A century of ferroelectricity. Nat. Mater. 2020, 19, 129.

https://doi.org/10.1038/s41563-020-0611-1