铁电材料BaTiO3中极化与应变的超快解耦机制研究

研究人员通过超快紫外激光激发铁电材料BaTiO3，结合时间分辨X射线衍射(tr-XRD)和二次谐波生成(tr-SHG)技术，首次观测到极化与应变在350飞秒内解耦的现象。该研究揭示了光生电子主导非平衡态极化的物理机制，为光控铁电器件设计提供了新范式。

　　

铁电材料因其独特的自发极化特性，在存储器、传感器和致动器等领域具有广泛应用。传统上，铁电极化与晶格应变通过压电效应紧密耦合，这种耦合关系在平衡态已被Landau-Ginzburg-Devonshire理论完美描述。然而在非平衡态条件下，特别是光激发产生的超快过程中，极化与应变的关系长期缺乏直接实验证据。这种认知空白严重制约了光控铁电器件的发展——若想通过光脉冲独立调控极化，必须打破传统应变工程的限制。

为解决这一关键问题，由Le Phuong Hoang、David Pesquera等组成的国际团队在《Nature Communications》发表研究，通过多尺度超快探测技术，首次捕捉到BaTiO₃中极化与应变解耦的动态过程。研究人员采用时间分辨X射线衍射(tr-XRD)监测晶格参数变化，结合时间分辨二次谐波生成(tr-SHG)追踪极化演变，同步利用时间分辨反射率(tr-refl)检测光生载流子动力学。实验在34.5 nm厚的单畴BaTiO₃薄膜上进行，该薄膜生长在GdScO₃衬底上并施加了-0.55%的面内压应变。

关键技术方法

研究采用266 nm紫外激光(脉宽70 fs，功率密度39 GW/cm²)激发样品，通过欧洲XFEL的同步辐射光源实现90 fs时间分辨率的tr-XRD测量。SHG极化和反射率测量同步进行，解析4mm点群对称性的二阶非线性光学张量(χ⁽²⁾)。结合双温模型(2TM)和应变波方程，定量分析电子-声子耦合过程。

光诱导结构动力学

通过分析(001)布拉格衍射峰位移发现：在2.6 ps时晶格出现最大压缩(-0.024%)，随后以0.04%/ps速率膨胀，20 ps后稳定在+0.34%应变态。衍射强度变化揭示Ti-O键长在3.5 ps内缩短8 pm（见

）。理论模拟表明负的?E_g/?p参数(-10^-3 eV/GPa)导致变形势应力σ_DP主导初始压缩，而热弹性应力σ_TE驱动后续膨胀。

极化与电子动力学

SHG张量元素χ_zxx⁽²⁾和χ_{zzz(2)比χxxz(2)表现出更显著变化（下降10%），证实Ti-O∥键（平行于极化方向）比Ti-O⊥键更易软化（见}

）。极化强度P_s在350 fs内骤降，而反射率ΔR/R₀同步上升7%，证明光生电子（浓度≈0.2 e/晶胞）通过削弱局域电荷q_Ti/q_O主导了早期极化变化。

五阶段动态模型

研究提出创新性解耦机制（图3）：

1. 1.

   光激发使电子从O 2p价带跃迁至Ti 3d导带；

2. 2.

   350 fs内电荷转移降低q_i导致极化下降，此时晶格未响应；

3. 3.

   3.5 ps内电子重组部分恢复P_s，而变形势引发晶格压缩；

4. 4.

   7 ps后热效应主导晶格膨胀；

5. 5.

   20 ps时形成P_s降低但应变增大的亚稳态，电子贡献比应变大10%。

这项研究颠覆了传统铁电材料设计范式，证明在非平衡态下极化可由光生电子独立调控，无需通过应变中介。该发现为开发超快光控存储器、低功耗铁电器件提供了理论基础，同时为多铁性材料中光电-磁耦合研究开辟了新途径。通过"钛氧键软化"策略实现极化工程，未来可与太赫兹调控技术结合，实现更低能量消耗的极化反转。