多铁性材料具有巨大的应用潜力，然而，传统调控手段在精确性和可逆性方面存在局限。通过对外延薄膜施加应变，可有效调控材料的晶体结构和电子结构，进而影响其铁性序。近日，北京量子信息科学研究院（简称“量子院”）低维量子材料团队和中国科学院物理研究所以及比利时列日大学合作，利用光学二次谐波研究了多铁材料在连续双轴应力调控下的铁序演化过程。2025年3月26日，相关研究结果以“Manipulation of Ferroic Orders via Continuous Biaxial Strain Engineering in Multiferroic Bismuth Ferrite”为题在线发表在国际知名期刊Advanced Science上。

多铁性材料同时具有两种或多种铁性序（如铁电性、铁磁性、反铁磁性等），具有巨大的应用潜力。铋铁氧体（BiFeO₃，BFO）具有非共线G型反铁磁序和铁电序，在室温下即可实现磁电耦合，是少有的单相磁电耦合多铁材料之一，在开发新型多功能器件方面具有显著优势，深入理解并精确调控其铁序至关重要。然而，传统调控手段如施加磁场、电场以及化学掺杂等虽有一定效果，但在精确性和可逆性方面存在局限。近年来，应变工程作为一种非化学计量的调控方法，逐渐受到关注。通过对外延薄膜施加应变，可以有效调控材料的晶体结构和电子结构，进而影响其铁性序。但以往的研究多集中于静态或离散的应变施加方式，缺乏对连续动态应变下铁性序演化的实时监测和深入理解。

日前，研究团队揭示了光学二次谐波（SHG）在研究多铁材料铁序演化方面的优越性。研究人员首先利用激光分子束外延技术和引入Sr₄Al₂O₇（SAO）牺牲层，成功制备了不同厚度的自支撑BFO薄膜。这些薄膜具有良好的结晶质量和均匀性，且保留了铁电性。研究人员自主设计并搭建了一套二维拉伸装置来实现对自支撑BFO薄膜的连续双轴应变调控，如图1所示。

图1 自支撑BFO薄膜的制备、结构特性、铁电特性和应力施加过程。

在应变施加过程中，研究团队采用SHG技术对BFO薄膜的铁电性和反铁磁性进行原位、实时监测。SHG技术对晶体的空间反演对称性高度敏感，能够有效探测铁电极化和反铁磁自旋结构的变化。通过设置透射谐波光的偏振方向与入射基频光平行（PAR配置）或垂直（PER配置），同步改变偏振方向，可获得不同应变条件下的偏振各向异性SHG（RA-SHG）图案。

研究发现，在（100）和（010）方向依次施加应变时，RA-SHG图案的形状和强度会发生显著变化。在PAR配置下，RA-SHG图案的主轴对应着净铁电极化方向，其峰值强度和位置随应变呈现出不同特征。其中，部分峰值强度先增加后减小，达到最大值后逐渐回落，而另一些峰值则表现出较大的位置偏移。通过SHG理论拟合和第一性原理计算，证实了约1.5%的单轴拉伸应变可使约5纳米厚的BFO薄膜中的铁电序（FE）在平面内调节4°左右，反铁磁序（AFM）则表现出更显著的8°左右旋转，如图2所示，表明反铁磁序的方向受应力的影响比铁电序大很多。在PER配置下，研究人员观察到应力导致RA-SHG中新峰值的出现，并归因于BFO中自旋结构的改变。此外，应变还导致多铁性薄膜中的SHG强度增强了约58.7%，这是目前在二维或自支撑材料中通过应变诱导SHG增强的最大值，如图3所示。

图2. 平行光路配置下，5纳米厚自支撑BFO薄膜在双轴应力调控下的SHG偏振各向异性图演化过程，FE与AFM产生SHG的拟合结果与理论计算结果，可见二者符合得非常好。

图3 （a）5纳米自支撑BFO中随应力变化的光弹张量。（b）目前所报道的应力调控薄膜或二维材料SHG增强效应的对比。

该研究不仅为理解多铁性材料的性质提供了新视角，还为优化其在电子、光学和磁性器件中的性能提供了指导。通过SHG技术，研究团队成功捕捉并分析了应变调制下铁电序和反铁磁序的演化过程，为低维非线性光学应用和器件开发提供了新思路。

该研究成果第一作者为量子院助理研究员王洁素，共同第一作者为中国科学院物理所博士后徐帅，共同通讯作者为量子院常凯研究员与中国科学院物理所金奎娟院士，合作者还包括量子院武诗瑶高级工程师和比利时列日大学的教授Philippe Ghosez、助理研究员何旭以及博士后Sebastian Meyer等。该工作得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金、北京市科委、科技创新2030等项目的支持。

文章链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202417165