皮秒尺度下(Ba,Sr)TiO3结构形变与热释电效应的动态耦合机制研究

本文针对铁电薄膜中热释电效应多源贡献难以解耦的问题，通过对比传统电滞回线测量与超快X射线衍射技术，揭示了(Ba,Sr)TiO3/SrRuO3异质结构在飞秒激光激发下的反常热膨胀抑制现象，为界面电荷动力学与热释电效应耦合机制研究提供了新范式。

　　

在功能材料研究领域，铁电材料因其独特的极化特性已成为热管理、传感和储能等技术的核心材料。其中，热释电效应（即材料极化随温度变化产生电荷的现象）在红外探测、能量收集等领域具有重要应用价值。然而，铁电薄膜中的热释电效应通常包含多种相互耦合的贡献源——包括源自自发极化变化的初级效应、由热应变通过压电效应产生的次级效应、应变梯度导致的三级效应以及电场诱导的四级效应。这些效应在传统测量中难以分离，且薄膜与基底之间的机械夹持效应进一步增加了研究的复杂性。

为了解决这一难题，来自德国TXproducts UG的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》上发表了一项创新性研究。他们以钡锶钛氧化物(Ba,Sr)TiO₃（BST）薄膜为模型系统，通过结合传统电滞回线测量和超快时间分辨X射线衍射技术，首次在皮秒时间尺度上揭示了铁电薄膜的结构形变动力学与热释电效应之间的内在联系。

研究人员采用的主要技术方法包括：1）温度依赖的极化电滞回线测量系统，用于获取不同温度（-130°C至130°C）和电场条件下的热释电系数；2）飞秒激光泵浦- X射线探针时间分辨衍射技术（TR-XRD），利用PETRA III同步辐射光源的P08光束线，以120ps时间分辨率监测激光激发后的晶格动力学；3）基于udkm1Dsim工具箱的热扩散多物理场模拟，结合材料的热膨胀系数、热导率等参数进行定量分析；4）使用xrayutilities软件包进行倒易空间映射分析，精确测定晶格参数的瞬态变化。

研究结果方面，论文通过几个关键部分系统阐述了发现：

在"通过电滞回线测量分析热释电系数"部分，研究人员发现BST薄膜的热释电系数随外加电场增强而增加，在-50°C附近达到最大值-170μC·m^-2·K^-1，略低于块体BaTiO₃的典型值。通过间接计算方法得到的电卡效应最大温变为0.37K，但该方法无法区分热释电效应的不同级次贡献。

在"时间分辨X射线衍射"研究中，团队观察到有趣的现象：在低激光能量（6mJ/cm²）激发下，SrRuO₃（SRO）电极和BST薄膜的热膨胀行为与热扩散模型预测高度吻合；然而在较高能量（10和15mJ/cm²）下，BST层的实际膨胀显著小于理论预测，表明存在非热力学平衡状态下的能量耗散通道。

在"飞秒激光脉冲激发后铁电极化的动力学"分析中，研究者提出了一种机理解释：SRO/BST界面形成的肖特基势垒在超快激光激发下发生改变。当激光被SRO中的自由电子吸收后，电子温度瞬间超过2000K，如此高的热动能使电子能够穿透肖特基势垒注入BST层，导致空间电荷区扩展和电场重分布。这种电荷注入不仅引起额外的逆压电应变（抵消热膨胀），还会改变材料的介电性能。

最后在"时间分辨形变与极化回线测量的对比"中，论文指出时间分辨XRD测量主要反映次级热释电效应（与压电效应相关），而传统极化测量得到的是总热释电系数。虽然理论上可以通过测量瞬态应变和温度变化来计算次级效应贡献，但由于BST材料压电系数和弹性刚度常数的温度依赖性尚未精确表征，目前还难以实现定量分离。

研究结论表明，传统的稳态测量方法难以解析铁电薄膜中复杂的热-电-机械耦合效应，而超快时间分辨技术为理解这些耦合过程提供了新视角。发现的激光激发下热膨胀抑制现象揭示了界面肖特基势垒在非平衡状态下的独特电荷动力学行为，这对设计高性能热电器件和优化界面工程具有重要意义。未来研究需要通过深度能级瞬态光谱（DLTS）等技术进一步表征界面电子特性，并建立更完善的多物理场模型来量化各效应对热释电系数的贡献比例。