层状铁电材料中电极化方向的“直角翻转”

铁电材料具有自发且可被外加电场翻转的电极化特性，广泛应用于非易失性存储器、传感器和驱动器等器件中。传统铁电体的极化通常源于某种‘软模’振动的增强，且电场需沿极化方向施加才能有效调控——例如，要翻转垂直方向的极化，就得加垂直电场。因此，主流研究长期聚焦于具有垂直极化的材料，而水平极化材料因难以在常规器件结构中使用而被忽视。本文另辟蹊径，提出并证实了一种全新的调控路径：利用层状铁电材料铋钛氧化物（Bi₄Ti₃O₁₂）中天然存在的三线性耦合机制，实现‘跨方向’极化翻转。具体而言，该材料在体相单斜结构中同时具备较大的水平极化（约50 μC/cm²，源于本征铁电不稳定性）和较小的垂直极化（约5 μC/cm²，由氧八面体畸变诱导产生）。研究团队制备了c轴取向的外延薄膜，并首次证明：仅施加垂直方向的电场，即可实现水平极化方向的确定性、可逆翻转。这种正交极化分量之间的交叉耦合，不仅为铁电序参量的横向操控开辟了新途径，更使层状铁电材料成为实现‘电容式计算’等前沿概念的理想平台——即利用极化方向本身直接进行信息存储与逻辑运算，有望大幅降低能耗并提升集成度。