近日，北京理工大学前沿交叉科学研究院黄厚兵特别研究员在相场模拟设计铁电材料微结构方面取得突出成果，与清华大学南策文院士团队合作，连续在《Science》上发表两篇研究成果：1) 超顺电弛豫铁电体中的超高能量存储-Ultrahigh energy storage in superparaelectric relaxor ferroelectrics, Science, 374, 6563 (2021)，和2) 应变铁电聚合物的环极拓扑-Toroidal polar topology in strained ferroelectric polymer, Science, 371, 6533 (2021)。

1) 介电电容是高功率脉冲技术中不可替代的基础储能元器件，可实现能量瞬间释放和功率放大，在超高功率装备和相关前沿科学研究中具有重大战略需求。但介电电容的能量密度仍然较低，开发具有更高储能密度、高效率的介电材料，是实现储能器件小型化、集成化的核心，是满足相关电子电力尖端领域需求的关键。

弛豫铁电材料具有独特的纳米级电畴结构和弥散相变，是具有潜力的储能介电材料体系。黄厚兵课题组采用相场模拟计算多种弛豫铁电成分，结果证明，在超顺电态区间中储能密度和效率可以实现综合优化（图1）。随温度降低，弛豫铁电在很宽的温度范围内经历电畴的出现、长大和冻结（分别对应温度T_B、T_m和T_f; T_m为最大介电常数对应的温度，如图1A）。当前弛豫铁电材料的研发主要集中于T_f ~ T_m温区以实现高的极化能力，但是其电畴翻转能垒引起的损耗限制了储能密度和效率的进一步提升。该论文提出在T_m ~ T_B 温区（超顺电态）设计储能介电材料。由于温度诱导有望进一步使弛豫铁电体中电畴体积减小、耦合减弱，其翻转能垒可降至与热扰动同一量级，电畴因此可以更容易地发生极化翻转，从而在保持较高极化的同时显著抑制损耗。

此项研究，黄厚兵特别研究员指导的材料学院硕士研究生徐世奇为第三作者，北京理工大学为第二单位，清华大学的南策文院士、林元华教授、物理所金奎娟研究员为通讯作者。

图1. 相场模拟弛豫铁电中超顺电态设计及其介电、极化、储能性质

全文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi7687

2) 极性拓扑结构，已成为一个新兴的研究领域，并在可重构电子器件中，具有潜在的应用前景。有机铁电体，是一种很有应用价值的材料，因其可溶液处理，成本较低，相比陶瓷铁电体，其具有更好的灵活性。目前研究最多的有机铁电体系，是聚偏氟乙烯(PVDF)及其二元和三元共聚物。然而，在铁电聚合物中，还没有观察到环极性拓扑。

在铁电聚合物聚（偏二氟乙烯-三氟乙烯）P(VDF-TrFE)铁电聚合物中发现了自组织的环形拓扑纹理，其展现出具有反耦合手性畴的同心圆拓扑结构。体系中的弹性能、静电能和梯度能之间的相互作用导致垂直于聚合物链的极化发生连续旋转和环向组装，从而形成这种奇特的拓扑结构。利用相场模拟获得了P(VDF-TrFE)薄膜在不同应变状态下的拓扑畴结构，揭示了由薄膜表面周期性波动影响的体系能量竞争是拓扑结构形成的原因以及这种拓扑结构的应变调控结果。

此项研究，黄厚兵特别研究员指导的材料学院/宇航学院研究生郭常青为第二作者，北京理工大学为第二单位，清华大学的南策文院士、沈洋教授为通讯作者。

图2. 相场模拟拓扑铁电畴结构与实验中铁电畴结构的对比

全文链接： https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.abc4727

黄厚兵特别研究员简介：

黄厚兵，北京理工大学前沿交叉科学研究院特别研究员，博士生导师。主要从事相场模拟材料微观结构演化研究，发表SCI论文110余篇，其中第一或通讯作者论文61篇(包括Nature, Adv. Mater., Adv. Func. Mater., Sci. Adv., Acta. Mater.等)，利用开发的相场模型与国内外团队合作发表论文50余篇(三篇Science, PRL, JACS等)，多次在国际大会作邀请报告。所开发的模型源代码已集成于商业软件μ-Pro，在介观尺度，相场方法可模拟铁电、铁磁和铁弹材料的畴结构演化，材料的凝固过程枝晶生长，金属和陶瓷颗粒烧结动力学、核材料缺陷演化和腐蚀等，为材料研发提供理论支撑。黄厚兵特别研究员先后主持自然科学基金面上和青年项目、国防基础科学挑战计划子课题、科技部重点研发计划子任务、北京市“青年托举工程”等5项。担任 “相场与集成计算材料工程会议”理事会常务理事、中国硅酸盐学会青年工作委员会委员和北京市硅酸盐学会理事等。