纳米尺度铁电界面极化诱导电荷的实空间观测及其原子尺度电荷态解析

铁电材料因其自发极化特性在信息存储、传感器等领域具有重要应用价值。这类材料中，相邻电畴间的界面——特别是带有相反极化方向的头对头(H-H)和尾对尾(T-T)畴壁——会形成极化诱导的束缚电荷。这些电荷及其屏蔽机制直接决定了畴壁的独特电学性质，但长期以来，科学家们面临一个关键难题：如何在纳米尺度实空间直接观测这些电荷分布？传统原子分辨率(扫描)透射电子显微镜[(S)TEM]虽能解析原子位移，却无法直接表征电荷状态；而电子全息术、差分相位衬度(DPC)STEM等技术又受限于非中心对称晶体中动力学衍射产生的强烈衍射衬度干扰。

针对这一挑战，国内研究人员在《科学进展》发表突破性成果。他们创新性地采用倾斜扫描平均DPC-STEM(tDPC-STEM)技术，结合精确控制的实验条件，首次实现了LiTaO₃
铁电晶体中H-H和T-T畴壁的电荷分布实空间观测。这项研究不仅揭示了畴壁的真实电荷状态，更建立了原子尺度局部极化结构与电荷态的直接关联，为功能性铁电器件设计提供了关键科学依据。

关键技术方法包括：1)采用配备40分段探测器的磁滞自由物镜STEM系统进行tDPC-STEM观测，通过61种光束倾斜条件消除衍射衬度；2)原子分辨率最优明场(OBF)STEM成像定量测量Ta原子柱位移；3)结合会聚束电子衍射(CBED)确定畴壁类型；4)通过电子能量损失谱(EELS)和环形暗场(ADF)STEM排除平均内势变化干扰；5)使用近化学计量比LiTaO₃
单晶样品。

研究结果部分：
【原子分辨率STEM观测】通过OBF-STEM成像解析出H-H和T-T畴壁的原子结构，测得H-H畴壁宽度约8.2nm，T-T畴壁约3.8nm，证实带电畴壁具有不同宽度特征。原子位移分析显示极化方向在畴壁处发生反转。

【tDPC-STEM成像突破】从<112̅0>方向观测时，tDPC技术有效抑制了Friedel定律破缺导致的衍射衬度。电场分量图像显示：H-H畴壁中心电场向外发散（对应正束缚电荷），T-T畴壁电场向内汇聚（对应负束缚电荷），首次直接可视化畴壁电荷特性。

【电荷分布定量解析】通过高斯一阶导数拟合和探针模糊效应去卷积，获得精确电荷密度分布：H-H畴壁呈现中心正电荷峰（宽度3.1nm）与两侧负屏蔽电荷层；T-T畴壁则为负电荷峰（宽度2.2nm）与正屏蔽电荷层。结合OBF测得的极化分布，首次实现束缚电荷与屏蔽电荷的空间分离。

【缺陷类型鉴定】ADF-STEM在T-T畴壁附近观察到Li位点的Ta_Li
⁴⁺
反位缺陷聚集，证实其作为主要正电荷补偿机制；理论预测H-H畴壁的负电荷补偿主要来自Li空位(V_Li
^-
)。

结论与讨论：
该研究通过tDPC-STEM技术突破，建立了铁电界面"原子结构-极化分布-电荷状态"的全链条表征方法。发现H-H畴壁的屏蔽电荷分布(10.3nm)宽于T-T畴壁(7.7nm)，这可能与Ta_Li
⁴⁺
(+4)和V_Li
^-
(-1)缺陷电荷量差异相关。研究证实带电畴壁的宽度和电荷分布强烈依赖于其类型和取向，为理解畴壁迁移率和导电性差异提供了微观解释。

这项技术的低电子剂量优势(4×10³
e^-
/Ų
)使其特别适用于锂基等辐照敏感材料的界面研究。成果不仅深化了对铁电畴壁物理机制的认识，更为设计基于畴壁导电性的纳米器件（如畴壁存储器）提供了实验基础。未来可拓展至新型极性拓扑结构（如极性涡旋、斯格明子）的电荷态研究，推动多铁性材料与拓扑电子学的发展。