多铁性材料的应变调控

岳文锋，俞 亮，郭全胜，贾婷婷，于淑会

(1.中国科学院深圳先进技术研究院先进材料科学与工程研究所，深圳 518055；2.深圳先进电子材料国际创新研究院，深圳 518100； 3.中国科学技术大学纳米科学技术学院，苏州 215123；4.湖北大学材料科学与工程学院，武汉 430062)

0 引 言

自1994年瑞士学者Schmid提出了多铁性材料这一概念以来，多铁性材料渐渐地成为了国际上的一个研究热点。通常把含有两种及其以上“铁性”(如铁电性、铁磁性和铁弹性)，且这些铁性序参量之间存在耦合的材料称为多铁性材料[1]。多铁性材料也可以通过序参量之间的耦合作用产生新的效应，其中研究最多的是磁电耦合效应。同时，对多铁材料的研究也促进了新奇物相与相关物理机制的研究，进而促进了相关应用领域的发展，如薄膜多铁性材料用于存储、传感、储能等电子器件领域。近年来随着集成电路特征尺寸的缩减，对于如何降低器件功耗的研究也渐渐成为必要，而铁电材料的负电容被认为是一种可行的解决方案[2]。研究人员发现在多铁性材料体系里也存在负电容效应，例如研究人员在经过O2处理的SrFe12O19陶瓷中发现了负电容现象，并且负电容在低磁场(450 mT

多铁性材料体系包括复合材料和单相多铁材料，其中单相多铁材料BiFeO3(BFO)是在室温下同时具有铁电和反铁磁性的代表材料。在BFO外延薄膜的研究当中，Ramesh小组[4]将BFO薄膜与铁磁薄膜构成叠层异质结构来实现BFO薄膜中的序参量的耦合，在电场作用下，BFO薄膜会产生铁电极化翻转，并且通过铁电-反铁磁耦合改变其中的反铁磁序，在交换偏置作用下，邻近铁磁薄膜的磁化会发生翻转，达到通过电场调控磁极化的目的，Ramesh小组对BFO外延薄膜的研究处于该领域中的领先地位。

BFO的居里温度(Tc=830 ℃)和奈尔温度(TN=370 ℃)是高于室温的，且在室温下可观察到磁电耦合效应，是目前报道最多的室温单相多铁性材料。但是，BFO具有的是G-型反铁磁，磁电耦合效应弱，限制了它的应用[5]，这也是单相多铁性材料普遍遇到的困难。因此学者们一直在寻找各种方法去提高多铁性材料的磁电性能，如清华大学研究小组[6]通过一系列的探索与计算提出了复合巨磁电效应，随后具有这种效应的材料得到了大量的研究。中国科学院宁波材料技术与工程研究所的研究人员在研究磁铁/强压电复合巨磁电效应时[7]，通过强磁铁(NdFeB)和强压电材料Pb(Zr0.95Ti0.05)O3(PZT-5)形成复合器件，并且成功地将此器件配合电路应用到微磁探测领域。

在提高多铁性材料性能的过程中，研究者提出了一系列的调控机制，其中就包含应变调控机制。狭义的应变调控主要是指利用晶格的应变来调控材料的物理性能。在铁电/铁磁复合薄膜体系中，铁电相都具备压电性，在电场的作用下会产生应力/应变从而影响到临近的铁磁层，进而影响到材料的磁电耦合性能，可以说复合材料是利用界面效应来实现磁电耦合。而单相多铁性材料的磁电耦合是本征的体效应，在一些钙钛矿结构的化合物中同时具有自发铁电极化以及自发磁矩，并且这两种性能同时出现且相互之间不抵触，而通过应变调控机制可以调制单相多铁性材料的磁电耦合效应。可见，应变调控在不同材料体系里的作用各有千秋，本文通过对已发表的研究成果进行总结，归纳应变对多铁性材料的结构、铁电极化、磁学性能等的调控规律和影响，从而理清研究进展，为进一步提升多铁性材料性能、扩展其应用范围提供思路。

1 多铁性材料中诱导应变的方法

在室温条件下，多铁性材料通常呈现弱磁电耦合(如BFO)[8]，并不能满足人们对其应用的要求。如何获得强磁电耦合性能的多铁性材料也是当前的主要研究方向，研究者们发现通过掺杂[9-10]、固溶体[11-12]和应变调控[13-14]等手段可以制备具有强磁电耦合且物理化学性能稳定的多铁性材料。其中，应变调控作为一种能有效提升多铁性材料的手段得到了广泛的研究。

通过对薄膜材料施加应变可以使其产生晶格畸变，调控晶格与电荷、自旋、轨道的相互作用，能够诱导出独特的电磁光声热等物理性能。目前，不少研究展示了这种应力/应变调控磁电耦合效应，如来自清华大学[5]、南京大学[15]、哈尔滨工业大学[16]、上海大学[17]、西安交通大学[18]、南方科技大学[19]、华南师范大学[20]、北京师范大学[21]等高校以及中国科学院[22]各个研究机构的研究团队，也有来自美国加州大学伯克利分校、印度理工学院、加拿大西蒙菲莎大学以及来自英国、新加坡、德国等的研究团队[3,23]对多铁性材料的应变调控进行了研究报道，这种应力/应变包含热膨胀失配诱导应变、界面层诱导应变、外场诱导应变、生长条件和化学掺杂引入应变以及机械力诱导应变，进而调控材料的性能，如相结构、铁电极化、能带、磁学性能以及负电容等，如图1所示。

1.1 热膨胀失配应变

在多铁性材料中，薄膜材料与衬底的热膨胀系数(thermal expansion coefficients， TEC)和晶格常数失配，产生的失配应变导致薄膜晶格尺寸的变化[24]。在异质结复合结构中应变调控对材料性能影响显著，例如宾夕法尼亚州立大学的研究团队通过将铁磁性的NiFe2O4(NFO)嵌入自组装的高度多孔的铁电Pb(Zr,Ti)O3(PZT)薄膜中制备多铁性复合薄膜，由于NFO(TEC=12.9×10-6K-1)和PZT(TEC=5.5×10-6K-1)的热膨胀系数显著不同，因此在合成过程中会产生很大的热残余应力。在XRD图谱(见图2)中PZT(100)X射线衍射峰位置向更高2θ值的系统偏移清楚地证明了在PZT中引入了压缩残余应力[25]。此外，人们还探索了结构形状改变引入应变对于多铁材料物理性能的影响。来自静冈大学的研究团队[26]在设计具有半球形结构的多铁性薄膜时，在PZT和La0.6Sr0.4MnO3(LSMO)之间引入了LaNiO3(LNO)作为缓冲层[TEC(LNO)=10.09×10-6K-1，TEC(LSMO)=11.39×10-6K-1]，成功制备了CoFe2O4(CFO)/PZT/LSMO/LNO多铁性薄膜,实验结果表明由于LSMO和LNO薄膜的热膨胀系数的差异导致PZT的面内压应力得到了提高。PZT内的应变诱导晶格变形，在施加磁场时，随着外加磁场的增大，在10 V、12 V和15 V电压下，独立多铁薄膜的剩余极化变化减小，这表明多铁性薄膜中的铁电性得到了增强。利用薄膜材料与衬底材料的热失配引起的失配应变实现连续的应变调节。热膨胀系数引起的失配应变不仅仅在多铁性材料中有所应用，在其他材料中也有所应用，比如通过化学气相沉积法(chemical vapor deposition, CVD)生长二维材料时利用二维材料生长过程中与衬底之间的热膨胀系数的差异来在材料中产生面内应变，从而获得具有较为优异性能的二维材料。

1.2 界面层诱导应变

来自鲁汶大学的研究团队[27]通过建立压电-磁致伸缩双层磁电换能器的力学模型，模拟了换能器的长宽比以及非活性周围层对应变的影响，包括活性器件周围的钝化层、活性器件上方的夹持层以及可能插入磁致伸缩层和压电层之间的界面层。通过模拟有无界面层的插入，发现加入界面层可以显著增强剪切应变分量，而双轴应变和剪切应变都能显著增强磁波导中的磁弹性耦合。斯坦福大学研究团队[28]使用一种新的超薄应变释放缓冲层Sr3Al2O6，通过脉冲激光沉积(PLD)技术将Sr3Al2O6缓冲层插入到在SrTiO3(001)衬底上生长的Nd0.5Sr0.5MnO3薄膜中，系统地将钙钛矿锰氧化物薄膜中的应变状态控制在1%以内，并观察到伴随的磁性和金属-绝缘体转换的特征，在该实验中失配位错主要局限于缓冲层。通过插入缓冲层的方法来控制薄膜的应变状态，可以有效地增强其物理性质，尤其是氧化物中的独特性质，如高Tc超导性、铁电性和电荷有序性、轨道和自旋。中国科学院金属研究所研究团队[29]在正交NdGaO3(NGO)衬底上采用脉冲激光沉积技术生长了厚度为11 nm的BFO薄膜，通过透射电镜研究发现在BFO/NGO界面处存在界面重构现象，对晶格常数分析，发现薄膜的面外晶格常数发生了弛豫，释放了应变，如图3、4所示。安阳师范大学的研究团队[30]发现界面层引起的应变导致三层La0.7Sr0.3MnO3/BaTiO3/La0.7Sr0.3MnO3(LSMO/BTO/LSMO)异质结构的BTO膜的介电常数和矫顽场略低于双层La0.7Sr0.3MnO3/BaTiO3(LSMO/BTO)，相应的三层LSMO/BTO/LSMO异质结构的磁电耦合系数也略低于双层LSMO/BTO异质结构。

通过在薄膜材料中插入界面层，利用膜层之间的晶格失配来引起较强的夹持效应，这种夹持效应可以削弱铁电畴壁运动和畴旋转的程度，进而影响到异质界面处的应变，改变材料的物理性能。通过界面层的引入，可以明显地改变薄膜材料的晶格常数，这也为薄膜材料提供了一种新的应变调控方式，通过控制其应变状态来可靠地增强其物理性质，比如氧化物的铁电性、电荷有序性等。

1.3 外场诱导应变

外场诱导应变通常包括通过控制光、电场、磁场等来诱导应变，进而对性能进行调控。中国科学技术大学的研究团队[31]研究了超快光激发引起的应变和电荷载流子数量之间的关系，验证了光激发诱导了大的面外应变。波茨坦大学的研究团队[32]应用飞秒时间分辨率的超快X射线衍射来监测多铁BFO薄膜在带隙以上光激发后的晶格动力学，通过BFO(002)伪立方反射的峰值位移测量了BFO的平均面外应变，如图5所示，观察到的晶格应变的声速极限演化表明准瞬时光诱导应力在纳秒时间尺度上衰减，通过一系列的实验数据分析得出局部铁电极化的光致变化通过逆压电效应产生应力，从而推动超快晶格膨胀。威斯康星大学麦迪逊分校的研究团队[33]发现飞秒级带隙以上光脉冲在铁电体和多铁性材料中产生瞬态面外应变，将高于带隙的光辐照在具有压应变的BFO上，会引起一个瞬态可逆转变，使得BFO从同时具有倾斜的赝四方相和赝菱形相转变到只具有非倾斜的赝四方相。并通过时间分辨同步加速器X射线衍射揭示了这种转变是由超快光学诱导的晶格膨胀引起的。在飞秒光振荡周期内，高于带隙的光脉冲在铁电体和多铁性体中产生瞬态面外应变，受到超快光激发的铁电或多铁材料会发生大约1%的晶格膨胀。其可能的机理是受激电荷载流子对表面和界面束缚电荷的屏蔽，改变了内部电场并且产生了机电畸变。这种光诱导相变同时有可能调控BFO的磁矩，这为拓宽相结构转变和耦合多铁性提供了可能性。

同样来自威斯康星大学麦迪逊分校的研究团队[34]通过相场模拟的方法发现了电场在薄膜中引起铁弹性应变，这种应变可以机械地转移到磁性元件上，在那里它改变了畴结构的局部磁化。吉林师范大学的赵雪[35]制备了Fe3O4/Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)异质结，通过在PMN-PT(011)基底[011]方向施加电场，出现了极化翻转，如图6所示，基底在面外受到了拉应力，面内受到了压应力。

阿贡国家实验室材料科学部研究团队[36]通过化学溶液沉积法制备Pb(Zr0.3Ti0.7)O3/La1.2Sr1.8Mn2O7(PZT/LSMO)单晶衬底异质结，并且通过实验发现La1.2Sr1.8Mn2O7的磁致伸缩效应产生的应变传递到铁电层Pb(Zr0.3Ti0.7)O3上，当温度处于磁致伸缩效应最大时的最佳温度，对应的磁电耦合系数达到最大。

通过控制电场、磁场以及光等可以调控多铁性材料在具有不同结构和性质的相之间进行转化。通过电场来调控磁序，实现磁电耦合；另外，也可以通过电场来控制铁弹畴的切换从而实现力-电耦合；同时，通过控制铁弹应变可以实现铁电极化或磁极化翻转，电-磁-力相关序参量的交叉耦合为非易失性磁电耦合的研究提供了一种思路。

1.4 化学掺杂诱导应变

化学诱导应变是通过元素掺杂来引入的，华东师范大学的研究团队[37]用化学溶液沉积法制备PbTi1-xPdxO3-δ(xPTPO)薄膜，通过Williamson-Hall(W-H)分析方法估算内部应变，如图7所示，随着x的增加，拉伸应变增加，研究表明Pd含量还可以显著改变xPTPO薄膜的带隙和磁性。浙江大学的研究团队通过磁控溅射法同时轰击BaTiO3(BTO)-Ni0.5Zn0.5Fe2O4(NZFO)靶材和Cu靶材,在Si(111)上沉积制得了Cu掺杂BTO-NZFO薄膜,且NZFO相沿(222)面取向生长[38]，通过一系列晶面信息(见图8)，利用布拉格公式计算得到晶面间距，发现平行于薄膜表面的晶面间距增大，垂直于薄膜表面的晶面间距减小，即Cu掺杂BTO-NZFO薄膜中NZFO相晶格中产生了应变。但是这种各向异性的应变是一个不常见的现象，分析认为这是因为铜离子不仅取代了镍离子，而且掺杂后铜离子的Jahn-Teller效应使得NZFO相的结构发生了改变。其他一些研究表明，化学掺杂可以产生各种应变状态来诱导相变，对薄膜材料的性能有显著的影响。

化学掺杂作为一种调控材料性能的常用手段，在各种材料体系性能的调控中都具有一定的作用，通过掺杂可以在原材料体系中引入一定量的杂质，来改善材料的某种性质或解决一些具体的问题。比如在半导体材料中可以通过适量浓度的掺杂来改善它的载流子的浓度以及类型等。而在多铁性材料中，如BFO材料中，既可以通过用稀土元素对其进行A位掺杂可以提高其铁电性和铁磁性，也可以通过磁性离子对其进行B位掺杂来改善材料的性能，但是通过掺杂调控应变进而改善室温下BFO材料所呈现弱磁性这一特性仍有待科研工作者探索。

1.5 生长条件诱导应变

在多铁性薄膜材料的生长过程中，生长条件如生长温度、生长速率以及界面层厚度等的不同，会导致薄膜材料的结构和性能的差异。精确控制生长条件可以有效地在薄膜材料中引入理想的应变。日内瓦大学的研究团队[39]通过磁控溅射法在(001)取向的SrTiO3(STO)单晶衬底上外延生长PbTiO3(PTO)薄膜，保持其他条件不变，仅改变生长温度，通过XRD倒易空间衍射(reciprocal space map， RSM)发现所有样品都是完全应变的。新加坡国立大学的研究团队[40]通过将射频溅射功率从30 W改变到180 W来提高BFO薄膜的生长速率，从而将单斜相BFO诱导为c/a约1.05的四方晶格T1和c/a约1.23的四方晶格T2同时存在的混合四方相，最后诱导为单一四方的T2相。这是因为溅射功率的提高，生长速率得到提高，在高生长速率下，新溅射原子的着陆速度所需要的时间远小于扩散所需要的时间，这一过程将由岛状生长主导。原子在岛屿区域的快速积累，将会产生一个高应变状态，这种状态有利于薄膜中的四方对称。北京师范大学研究团队[41]通过聚焦离子束(focused ion beam, FIB)铣削减小BFO薄膜的横向尺寸来控制其在夹紧薄膜上的应力分布实现类马氏体的相变，如图9所示，可以有效地避免在异质结中铁电氧化物在相变所需高电场下发生介电击穿。

对于多铁性材料而言，在其生长的各个过程当中，都可以通过控制其中的生长条件来对其应变进行调控，例如在退火过程中，通过改变退火温度、退火时间以及退火方式等都可以对材料当中的应变进行调控。作为一种普遍应用的调控手段，通过改变生长条件可以快速而有效地对材料的性能进行调控，从而获得较为优异的性能。

1.6 机械力诱导应变

机械力诱导应变可以利用原子力显微镜来直接施加机械力，引起多铁薄膜内部铁弹应变发生变化，从而导致铁电和铁磁畴的翻转。本课题组通过采用传统的固相反应工艺制备了用于Bi5Ti3FeO15(BTF)和掺La的BFO的陶瓷靶，并利用脉冲激光沉积技术(pulsed laser deposition, PLD)在Pt/TiO2/SiO2/Si衬底上沉积BTF和La∶BFO薄膜，在多铁性薄膜上利用扫描探针尖锐的针尖施加局部压力可以同时翻转薄膜内的铁电畴和磁畴[42]。该实验通过外加机械力在多铁薄膜中引入应变梯度场，改变了薄膜中的铁弹应变状态，由于该类型多铁性薄膜中铁弹-铁电-铁磁的交叉耦合，从而导致铁电畴和铁磁畴发生翻转。并且发现当铁弹应变弛豫后，铁磁畴的翻转随之解除，从而在实验上证实了该类多铁性薄膜中磁电耦合是通过铁弹应变的桥梁作用实现的。最后，该实验将机械力写入的电畴和磁畴再利用电场进行翻转(见图10)，在一定意义上实现了利用机械力可以获得和电场类似的数据写入效果。这一发现为利用机械力操纵多铁性材料中的磁性开辟了一条新的途径，并为多铁性材料多功能器件的未来设计拓宽了应用范围。实际上，这种直接施加机械力在材料中引起应变状态变化，从而导致材料性能变化的思路已经被很多研究小组用在不同的材料体系中，很多新奇的物理现象被发现。如来自新加坡国立大学的研究团队[43]利用PLD沉积了BFO薄膜，通过在薄膜表面制作微压痕来施加机械应力，压电力显微镜(PFM)测试结果表明在压痕附近铁电畴的角度发生了变化。北京师范大学的研究团队[44]利用机械探针施加纳米尺度压力诱导弹性变形和跨多铁相边界的自发应变梯度的重建，实现了纯机械刺激对室温多铁序进行可逆控制，这为实现势能转换提供了一种新的思路。

2 应变对物性的调控

2.1 相结构的转变

马氏体相变效应的本质是通过晶体晶格应变来调控非晶基体中局部晶格畸变的大小，进而调控材料的性能。在多铁性材料中也可以通过诱导应变进而诱导相结构发生转变。加州大学伯克利分校的Ramesh教授小组[45]在BFO材料中通过应变去调控材料的相变，他们通过基底去提供压应变调控了La0.22Bi0.78FeO3(LBFO)的O(Orthorhomic)-R(Rhombohedral)相变，并成功地构建了无位错、无缺陷的O/R准同型相界，如图11、12所示。并且从材料体系里发现了较为优异的物理性能，如相比于BFO材料提高的磁学性能、良好的压电性能等。韩梦娇等[46]通过从拉应变条件慢慢变为压应变条件下，发现了BFO薄膜的相结构实现了三种单斜相的转变(MB→MA→MC)，其中单斜MB为极化方向P沿[uuv]晶向且u>v，单斜MA为极化方向P沿[uuv]晶向且u

2.2 铁电极化的调控

应变是调控多铁性材料的铁电性的一种常用手段，通过施加不同的应变状态以及应变大小可以有效地调控铁电极化强度。加利福尼亚大学的研究团队[48]通过第一性原理计算研究了BFO薄膜自发铁电极化随外延应变的变化。湘潭大学的研究团队[49]研究了Fe/BaTiO3(BTO)多铁隧道结，通过构建具有不同面内应变条件下的Fe/BaTiO3多铁隧道结模型，并运用第一性原理进行计算，发现铁电极化强度在面内压应变下增强，在面内张应变下减小，如图13所示。俄罗斯理工大学的研究团队[50]采用金属有机气溶胶沉积(metal-organic aerosol deposition， MAD)方法分别在MgO(100)和STO(100)衬底上沉积了双层结构BaTiO3(BTO)/La0.7Ca0.3MnO3(LCMO)，其中BTO厚度为4 nm，LCMO厚度为12 nm。通过对实验数据分析可以得到在MgO(100)衬底上生长的薄膜会产生约6%的拉伸应变，在STO(100)衬底上生长的薄膜会产生约1%的压缩应变。稳定的SHG强度表明，在STO衬底上沉积的BTO/LCMO薄膜中测量到一定的电压依赖性(如图14(a)和(b)中p和s输出极化所示)。对于MgO衬底来说，SHG强度信号与外加直流偏置电压没有相关性，而在STO衬底上的电压依赖性可能与SHG强度信号的来源(BTO层相关的极化(P)或四极矩(Q))有关，实验结果表明压缩应变比拉伸应变更有利于SHG强度信号的产生。他们之前的工作通过电荷载流子的直接隧穿机制，证实了BTO层厚度为4 nm时可以更好地匹配可转换的本征极化和传导的共存[51]。

2.3 磁学性能的调控

通过一些学者的研究可以发现,在多铁性材料中可以通过诱导应变来调控材料的磁学性质。瓦尔特·迈斯纳研究所的研究团队[52]通过在PZT基底上生长磁性Fe3O4薄膜，并观察到通过应变可以调控材料的磁各向异性。德国莱布尼茨固态与材料所的研究团队[53]在Pb(Mg1/3Nb2/3)0.72Ti0.28O3(PMN-PT)基底上生长La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)薄膜，通过施加外电场调控基底的各向同性面内晶格参数，其磁电耦合系数经应变调控达到了0.06 Oe/(cm·V)。萨哈核物理研究所的研究团队[54]用小极化子跳跃(small polaron hopping, SPH)模型解释了磁电阻随应变的变化，通过小极化子跳跃模型拟合了在没有和存在7 T磁场时的电阻率，认为输运性质是由小极化子的热激活跳跃支配的。通过实验结果(见图15)发现当应变从厚度为13.5 nm薄膜的2.30%降低到厚度为180 nm膜的0.42%时，在120 K时MR(Magnetoresistance)值从5%提高到50%左右，提高了10倍，磁共振的增强可以通过降低压缩应变来实现。索邦大学的研究团队[55]通过XMCD(X-ray magnetic circular dichroism)分析证实了关于应变对离子电子构型和其磁矩影响的XLD(X-ray linear dichroism)结果。洛斯安第斯大学的研究团队[56]在实验中发现了磁矩随着晶格应变的减小而减小的现象。安阳师范大学的研究团队在实验中发现在三层异质结构中，BTO膜将遭受由两个LSMO层(底层和上层)的晶格失配引起的更强的夹持效应，而这种更强的夹持效应会影响应变在界面处的传递，最后通过测试发现三层异质结构的磁电耦合系数(αE)的测量值略低于双层异质结构，如图16所示[30]。

2.4 能带的调控

多铁性材料具有复杂的能带结构，通过应变来合理调控能带使其满足器件的使用要求也一直是研究工作者们的努力方向。劳伦斯伯克利国家实验室的研究团队[57]通过基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了双轴应变钙钛矿型多铁性EuTiO3(ETO)薄膜的磁性、光学和电子结构。在ETO薄膜中，Eu离子的磁矩和直接带隙的能量随着压缩(拉伸)应变的增大而缓慢减小(迅速增大)。当施加1%～4%的拉伸应变时，铁电和铁磁ETO薄膜的直接带隙可从1.0 eV调谐到1.52 eV，如图17所示。华东师范大学的研究团队[58]利用脉冲激光沉积技术(PLD)在(001)取向LaAlO3(LAO)衬底上生长EuTiO3(ETO)薄膜并通过后退火来消除沉积后的面外晶格应变，沉积态和退火态ETO薄膜的光学带隙E1值分别为1.05 eV和1.29 eV。结果表明，应变导致在低温下约240 meV的带隙收缩，并且应变引起约140 meV的较高带间跃迁膨胀，不同的间隙表明应变在调节ETO薄膜的电子能带结构中起着关键作用。普渡大学的研究团队[59]在一系列晶格失配的衬底上，包括单晶(001)取向的LaAlO3(LAO)、SrTiO3(STO)、MgO和TiN缓冲的Si衬底上，沉积了具有SrRuO3(SRO)缓冲层的菱面体状BiFeO3(BFO)薄膜，BFO薄膜在SRO/LAO、SRO/STO和SRO/MgO基底上的Eg值分别为2.82 eV、2.76 eV和2.71 eV(见图18)，得出了面内压缩应变导致BFO薄膜的带隙变窄的结论。

2.5 负电容的调控

电容是指电荷的存储量，一般情况下为正值，但是研究人员通过在晶体管栅极中加入铁电材料就会产生负的电容值。这是因为铁电体的极化方向在某一临界电压下会发生反转，此时材料表面积累的束缚电荷量会瞬间超过电源的电极供给，在电极和外电源间加入电阻，就可以发现电压在下降而电荷却在增加，这就导致电容会出现负值的现象。利用铁电材料的负电容效应能够克服传统晶体管的亚阈值摆幅的极限，从而使其低于60 mV/dec，这样就可以在更低的电压下执行开关操作，有效降低器件的功耗。

研究人员通过旋涂法制备了基于铁电聚合物薄膜的Al/PVDF/SiO2/n-Si(metal-ferroelectric thin film-insulator-semiconductor silicon， MFIS)结构，并且通过测量MFIS结构的电容-频率特性和电容-电压特性(见图19)，在这种结构中观察到了负电容效应[60]。浙江大学的研究团队[61]基于与时间相关的金兹堡-朗道方程和基尔霍夫定律，揭示了在电阻-铁电电容器电路中，拉伸应变降低了PbZr(1-x)TixO3薄膜的瞬态负电容的幅度和持续时间，而压缩应变则增加了其幅度和持续时间。其中，拉伸应变使得瞬态负电容在准同型相界附近完全消失，而压缩应变可以将其保持到高于居里温度的温度。这种负电容的调控可以有效应对集成电路尺寸减小所带来的挑战。在多铁性材料中如异质结中是否也可以通过应变调控铁电极化，进而影响其负电容效应，并对器件性能产生影响，例如亚阈值摆幅、开关电流比、阈值电压等，目前此方面的研究以及相应文章较少，而关于此方面的研究，未来可能成为一个新的研究方向及热点。

3 结语与展望

应变工程作为一种调控多铁性材料的手段，极大地促进了多铁性材料性能的提升。尤其对于BFO基单相多铁性材料来说，各种应变调控的方式在BFO基多铁性材料中都进行了一定的探索，比如通过改变衬底的类型就可以施加不同类型以及不同大小的应力/应变到BFO薄膜上，这些应变使得BFO薄膜的相结构发生一定的转变，进而获得理想的性能。对于BFO薄膜材料的性能探索是多铁性材料应变调控方法的一个缩影，类似的手段在其他多铁性材料的调控中也有不少的研究，并且在一定程度上促进了多铁性材料的发展。

多铁性材料的耦合特性使得它具备了其他材料所不具备的特殊性能，而这些特殊性能也使其在存储器、电容器以及传感器等多功能器件方面具有广泛的应用。但是当前的多铁性材料的室温下的强磁电耦合效应等性质现在还仅限于实验室研究，对于能达到大规模应用的强磁电效应所需要的材料及器件仍在进一步的研究当中。在多铁性材料的研究中，应变作为一种重要的参量参与调控薄膜材料的多铁性，在未来一段时间里，如何通过应变来进一步提升室温下的磁电耦合效应是重点研究方向，这对于提升多铁性材料的性能具有一定的促进作用。

每一个材料的研究都是为了更好地应用，用于提高人们的生活质量以及社会的发展，这意味着其最终都要达到商业化以及工业化应用的条件。因而通过应变工程去调控多铁性材料的性能最终也要使其满足工业化的条件，如要具有连续的可调节的应变、较低的成本、应变的变化幅度要达到一定值以满足正常的使用变化等，这一系列的要求仍有待科研工作者们的努力。同时也要对未知的多铁性材料的调控机制进行探索，较深层次的探索可以扩宽我们的视野，可以帮助我们对于多铁性材料的强磁电耦合等性质具有更深一步的理解，更好地研究与制备具备多铁性材料。