作为支撑信息技术发展的核心基础，高性能电子信息材料是推动数字经济、智能制造、5G通信等产业创新发展和迭代升级的关键。近年来，反铁电材料因其在外场作用下可发生可逆的反铁电-铁电相变、并呈现双滞回极化-电场曲线（P-E回线）的特性而备受关注，这种独特的可逆相变行为使其在非线性电介质、高储能电容器及微型驱动器等领域展现出广阔的应用前景。然而，目前学界对“反铁电-铁电”相变这一核心机制的理解仍不充分，制约了反铁电材料介电与极化性能的精准调控和相关功能的开发。

针对反铁电体常常发生P-E回线的畸变、甚至出现“类铁电”单滞回极化翻转现象，潘豪团队基于前期研究成果（Adv. Mater. 35, 2300257 (2023)），在反铁电热力学能量模型中引入“局域无序度”参量，模拟实际材料中缺陷对反铁电-铁电相界的钉扎效应和对亚稳极性相的稳定作用，使双电滞回线表现出显著畸变现象。通过叠加随机强度和浓度的“局域无序度”，团队首次模拟揭示了“类铁电”P-E回线的形成机制（图1）。在实验中，研究团队在反铁电锆酸铅PbZrO3和铪酸铅PbHfO3薄膜沉积过程中引入非均匀的空位点缺陷，验证了模型的正确性，为反铁电材料中“类铁电”极化翻转现象提供了普适性物理解释。

图1. 反铁电薄膜中局域无序度导致“类铁电”极化行为的热力学模型

相关研究成果以“Artificial ferroelectric-like hysteresis in antiferroelectrics with non-uniform disorder”为题发表于国际知名期刊《Acta Materialia》。新材料学院潘豪研究员与昆明理工大学伍亮教授、湖北大学郭金明教授为论文共同通讯作者。该工作得到了清华大学南策文院士、中建材先进玻璃材料全国重点实验室彭寿院士等合作者的指导和支持。

另外，针对反铁电材料介电响应低、滞回损耗大的问题，潘豪团队近期利用脉冲激光沉积技术，在PbZrO3薄膜的亚晶格尺度上引入Ba元素，成功诱导出现介电弛豫行为并形成极性纳米微区结构。研究阐明了(Pb,Ba)ZrO3薄膜中“反铁电-铁电-顺电”多相竞争的复杂相变过程（图2），实现了介电响应和介电可调性的显著提升：在10 kHz, 200 kV/cm偏压条件下，介电调谐率（dielectric tunability）达到81%；在500 kV/cm下进一步提升至91%，性能超越绝大多数传统弛豫铁电薄膜。该材料的介电可调性在微波（GHz）频段仍能保持，并表现出较高的品质因数（图3），在微波通信、移相/谐振器件领域具有重要应用潜力。该工作揭示了反铁电体到弛豫铁电体的复杂相变过程，为反铁电薄膜材料的性能调控和功能开发提供了新的技术路径。

图2. (Pb,Ba)ZrO3薄膜的反铁电-弛豫铁电相变过程中介电响应和极化结构的演化

图3. (Pb,Ba)ZrO3薄膜的微波介电调谐性质

相关研究成果以“Highly Tunable Relaxors Developed from Antiferroelectrics”为题发表于国际知名期刊《Advanced Materials》，新材料学院潘豪研究员为论文第一作者，并与莱斯大学Lane Martin教授共同担任通讯作者。工作获得了麻省理工学院James LeBeau教授、德雷克塞尔大学Jonathan Spanier教授及加州大学伯克利分校R. Ramesh教授等合作者的大力支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121085

https://doi.org/10.1002/adma.202505376