近日，美国卡内基科学研究所Shi Liu 和宾夕法尼亚大学 Andrew M. Rappe 组成的联合研究团队在铁电材料的理论研究方面取得新进展，相关研究成果Intrinsic ferroelectric switching from first principles发表在6月16日的《自然》期刊上（Nature, 2016, 534, 7607, 360-363, DOI: 10.1038/nature18286）。同期的News & Views栏目配发了题为“Computational materials science: Predictions of pinning”的评述（DOI: 10.1038/534331a）。 

　　存在于铁电材料中的磁畴壁(domain walls)不仅会在材料中将具有不同极化性质的区域分隔开，而且还会影响材料的介电、压电、热电和电子等性质。磁畴壁的运动（domain-wallmotion）对铁电材料极化转换尤其重要，而后者可以通过材料的特征磁滞回线表征出来。从实验的层面来说，通常所观察到的极化转换和磁畴壁运动的动力学机理都会被解释成为一种被由材料缺陷产生的无序势场所“扎钉”（pinned）的弹性界面行为。这种行为强烈依赖于不同的材料样品，同时被各种弹性的、微结构的以及其他的非本征效应所影响。从理论的层面来说，将材料样品在绝对零度时基于第一性原理的微观性质与样品在一定温度下的宏观性质（例如：矫顽磁场）两者连接起来，对于材料设计和器件性能优化是非常重要的；然而这种连接关系的缺失也阻碍了利用第一性原理计算方法对高效能计算型材料的大规模研发。 

图来源：Nature

　　该团队运用分子动力学模拟方法对铁电材料PbTiO₃中的90°磁畴壁（极化方向互为正交的分隔磁畴）的微观结构进行了计算。这种计算可以帮助我们建立一个简易、通用和基于成核与生长的解析模型，来对不同铁电材料中的各类型磁畴壁的动力学进行量化分析。接着，他们通过第一性原理对一定温度磁滞回线的温度和频率依赖关系进行了预测。他们发现，即使在材料缺陷不存在的情况下，磁畴壁的运动速度与温度及磁场的本征依赖关系可以通过一个非线性类蠕变区域和一个类“退扎钉”区域进行描述。研究人员表示，他们提出的模型可以对矫顽磁场进行量化预测，而且在陶瓷和薄膜材料中得出的模拟结果都和实验结果吻合的比较好；理论和实验之间的一致性表明，尽管铁电材料比较复杂，但典型的铁电性质切换在很大程度上是被一个简易的、通用的本征磁畴壁运动机制来掌控的。该研究对铁电材料性质的模拟和优化提供了一个有效的理论框架。 

　　（摘自 头条号/科学农夫） 

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