研究背景与意义

在现代电子技术中，半导体材料的性能调控往往依赖于引入化学不均匀性（如硅中的掺杂）。然而，传统方法通常无法控制这些不均匀性的空间分布，限制了材料功能的进一步开发。多铁性材料BiFeO₃因其室温下同时具备铁电性和磁性而备受关注，但其功能调控仍面临挑战。如何通过动态调控化学不均匀性分布来实现材料性能的按需设计，成为氧化物电子学领域的关键问题。

研究方法

瑞士苏黎世联邦理工学院等单位的研究团队采用脉冲激光沉积法制备了La_0.15Bi_0.85FeO₃/SrRuO₃异质结构薄膜，结合高角度环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）分析La³⁺分布，通过压电力显微镜（PFM）和光学二次谐波（SHG）表征极化状态，利用金刚石涂层探针施加局部应力诱导相变，并在电容器结构中验证器件可行性。

研究结果

??La³⁺分布的初始状态与铁电性??
HAADF-STEM显示原始薄膜中La³⁺呈均匀分布（图1a），PFM证实其具有典型的铁电畴结构（图1b-d）。La³⁺取代Bi³⁺导致面内极化域随机排列，净极化减弱。

??应力诱导的La³⁺有序化与反极性相??
施加140 μN压缩力后，STEM观察到La³⁺富集层与贫化层交替排列（图2a-b），伴随A位离子的上下位移（箭头所示），符合Pnma空间群的反极性相特征。表面形貌从平坦变为波纹状（图2c），PFM信号消失（图2d-e），证实铁电性被抑制。

??极化与La³⁺分布的可逆调控??
电场（8V）可使La³⁺重新随机分布并恢复铁电相（图4a-d）。PFM开关谱显示，反极性相区域需要更高电压才能触发极化反转（图5b-c），表明相变完全可逆且循环稳定。

??器件级验证??
在SrRuO₃/La_0.15Bi_0.85FeO₃/Co₉₀Fe₁₀/Pt电容器中，SHG信号证实应力可抑制面内极化，电场可恢复铁电性（图6a-c），证明该机制在器件中仍适用。

结论与展望

该研究首次实现了氧化物薄膜中阳离子不均匀性分布的可逆调控，揭示了La³⁺有序化与反极性相的关联机制。通过应力-电场协同作用，可精确调节极化强度至饱和值间的任意状态，为多级存储和磁电耦合器件提供了新思路。未来可拓展至其他功能氧化物体系，实现力学-电学-磁学性能的协同设计。