科研进展 | 铁电材料极性动力学多尺度建模：理论进展与范式演进

      铁电材料中自发极化的动态演化机制是物理学、力学和材料学等跨学科的经典问题。肇始于1920年Valasek发现罗息盐的铁电性，铁电材料的研究历经了百年沉浮。一方面，铁电材料具有优异的物性，在高性能功能器件的研究和设计中不容忽视。另一方面，铁电材料仍然存在一些不可避免的缺点，如铁电疲劳、高介电损耗等，成为其大规模应用的最大障碍。回顾铁电研究史，材料体系已从最初的钙钛矿发展到有机铁电体（如PVDF-trFE）、与半导体工艺兼容的铪基铁电体（如）、二维铁电体，以及氮化物铁电体（如AlScN）；研究的极性微结构从早期条纹畴转变为极性拓扑结构，如涡旋、流闭合畴、中心型畴、斯格明子（skyrmion）和麦韧（meron）；对物理场耦合的考虑已经从电学耦合扩展到力电耦合（包括压电和挠曲电）、磁场、光学场、温度场以及自由载流子等对极化所施加的多场耦合作用。贯穿百年研究史的微结构的动态演化问题，即极性动力学（polarization dynamics），始终是铁电材料基本物理和器件应用的核心重点和难点。

      极性动力学的实验研究主要分为微观和宏观两个尺度。宏观尺度研究侧重于样品整体极化翻转的动理学，其研究重点从早期极化翻转的能量难易程度扩展到极性微结构演化的快慢程度和动态细节。近年来，随着电子显微学表征技术的进步，人们得以在更高的空间分辨率下对铁电畴的翻转及其畴结构进行精确的表征。此外，极性动力学与缺陷、界面和空间电荷的耦合机理也受到了极大关注，如铁电-铁弹畴的力学翻转和拓扑畴的动力学行为，等等。与此同时，极性动力学的理论与建模也得到了前所未有的发展。研究人员构建了相场方法，分子动力学方法，有效哈密顿方法和基于密度泛函理论的第一性原理方法，并在解释极性动力学的微观机制方面发挥了重要作用。然而，需要强调的是，在理论建模发展过程中，研究人员希望借用宏观层面上的物理量、概念和图像来描述原子级铁电系统中的微观动力学过程。因此，当研究人员将描述准静态过程的模型推广到非平衡过程时，应该仔细检查和讨论所开发模型的有效性和合理性。随着研究的深入，铁电材料极性动力学的多尺度特性逐渐显现：电子云分布决定原子尺度局域偶极，畴壁运动主导介观尺度响应，而缺陷与界面效应则决定了器件性能，如图1所示。极性微结构动态演化行为是由相应的动理学理论和模型（见蓝色文字）进行描述，极性动力学的底层物理机理则由动力学理论和模型描述（见红色文字）。在过去的几十年里，研究人员针对极性动力学发表了许多综述论文，介绍了理论建模的研究进展：大部分综述涉及器件应用中铁电材料系统、极性微结构或动态演化现象的研究进展，介绍了如何再现和解释新现象的理论方法和研究；而一部分论文则侧重于一种理论方法，对其如何揭示新现象的物理机制的进展和成就进行了评论。

图1: 极性微结构（黑色字体）的多尺度特性、描述动态演化的动理学（蓝色字体）以及解析演化行为与物性响应机理的动力学（红色字体）理论与建模。

      2025年3月，广东省磁电物性分析与器件重点实验室文豪华副教授与合作者应Journal of Physics: Condensed Matter编辑的邀请，就极性动力学理论与建模的研究历史与展望为主题，发表了题为《A review of progress in theoretical modeling of polarization dynamics in ferroelectric materials》的综述性文章（在下文中简称“本综述”）。与以往综述的侧重点不同的是，本综述采用更宏观的视角，以人们对器件发展需求驱动的极性微结构和动力学多尺度特性认识的历史为线索，梳理了极性动力学理论与建模发展与研究范式演进的内在逻辑，从以下三方面回顾铁电材料极性动力学的理论进展，并讨论不同理论方法诞生与发展的历史背景与历史局限性：（1）对铁电材料极性微结构多尺度特性的认识和理解；（2）表征和描述极性微结构动态演化动理学理论模型的发展历史与进展；（3）解析极性微结构动态演化与物性响应机理的极性动力学多尺度建模的理论进展。最后，本综述还对极性动力学理论与建模的未来发展趋势进行了深入分析，提出了多尺度建模框架如何实现动力学过程与热力学约束统一的前瞻性展望，并探讨了兼顾数值性与机理性准确度的理论建模对未来器件设计的启示。