综述：非常规铁电体与多铁性材料的最新进展

本综述系统梳理了从铪基铁电体、元素铁电性到堆叠铁电性（stacking ferroelectricity）、极性金属态（polar metallicity）、分数量子铁电性（fractional quantum ferroelectricity）、纤锌矿型铁电性（wurtzite-type ferroelectricity）以及自支撑膜铁电性等前沿领域，并深入探讨了多铁性材料中新型磁态与铁电性的相互作用（如铁谷-铁电耦合机制），为下一代纳米电子学与自旋电子学（spintronic）器件开发提供关键理论支撑。

　　

Abstract

新兴铁性材料因其独特的物理性质，为下一代纳米电子与自旋电子（spintronic）器件开辟了新路径。本综述系统性地总结了非常规铁电体系，涵盖铪基铁电体（Hf-based ferroelectrics）、元素铁电性（elementary ferroelectricity）、堆叠铁电性（stacking ferroelectricity）、极性金属态（polar metallicity）、分数量子铁电性（fractional quantum ferroelectricity）、纤锌矿型铁电性（wurtzite-type ferroelectricity）以及自支撑膜铁电性（freestanding membranes ferroelectricity）。进一步地，文章深入探讨了多铁性材料（multiferroics）中新型磁态与铁电性的相互作用，以及铁谷-铁电耦合（ferrovalley-ferroelectric coupling）机制。最后，通过分析当前挑战与未来机遇，为领域发展提供前瞻性视角。

非常规铁电体：从材料到机制

铪基铁电体（Hf-based ferroelectrics）作为硅兼容材料，在纳米尺度下仍保持稳健的铁电性，其掺杂工程与界面调控成为增强极化稳定性的关键策略。元素铁电性在二维材料（如黑磷）中被发现，打破了传统钙钛矿体系的限制。堆叠铁电性通过范德华异质结（van der Waals heterostructures）实现层间极化耦合，为柔性电子提供新平台。极性金属态挑战了传统绝缘体铁电性的认知，在金属性基质中实现极化有序，例如在LiOsO₃中观察到的极化金属行为。分数量子铁电性关联电子分数化激发与极化响应，为拓扑量子计算提供材料基础。纤锌矿型铁电性在Al_1?xSc_xN等氮化物中通过应力工程调控极化翻转能垒，推动高频器件的应用。自支撑膜铁电性利用机械剥离技术制备超薄铁电膜，克服了衬底钳制效应（substrate clamping），实现超高应变响应。

多铁性材料：磁电耦合与铁谷效应

多铁性材料同时具备铁电性与磁性（或反铁磁性），其核心在于磁电耦合（magnetoelectric coupling）机制。近年来，新型磁态如斯格明子（skyrmions）与自旋螺旋序（spin spirals）被证实可与铁电极化协同调控，例如在Hexagonal RMnO₃（R为稀土元素）中实现电场控制磁畴翻转。铁谷-铁电耦合在谷电子学（valleytronics）框架下提出，通过能谷自由度与极化的相互作用，在过渡金属硫族化合物（如MoS₂）中实现谷极化与电极化的双向调控，为低功耗存储器件提供新原理。

挑战与机遇

当前领域面临的核心挑战包括：微观机制解析（如极化翻转的原子动力学）、多场耦合（电、磁、应变）的定量描述、以及实际器件的耐久性与集成度。未来研究需结合先进表征技术（如原位四维STEM）与多尺度模拟，推动材料-器件一体化设计，最终实现室温强耦合多铁性器件与量子信息技术的融合。

Conflict of Interest

作者声明无利益冲突。