清華新聞網(wǎng)2月24日電 毫米波通信、雷達(dá)感知及6G技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)30-300GHz頻段的高性能介電可調(diào)材料提出了迫切需求。然而，常規(guī)鐵電材料的介電可調(diào)性多在微波頻段表現(xiàn)良好，進(jìn)入毫米波頻段后顯著下降，成為制約器件集成與性能提升的瓶頸。近年來(lái)，PbTiO3/SrTiO3鐵電超晶格中涌現(xiàn)的極性渦旋、斯格明子、偶極子波等拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu)，因其獨(dú)特的極化構(gòu)型和電場(chǎng)耦合性質(zhì)而備受關(guān)注，但相關(guān)研究主要集中在低頻或太赫茲、光學(xué)頻段，尚未涉及毫米波頻段。
近日，清華大學(xué)材料學(xué)院李千副教授團(tuán)隊(duì)與西湖大學(xué)物理系劉仕副教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)展合作，首次揭示了偶極子波（dipole wave）結(jié)構(gòu)在毫米波頻段的優(yōu)異介電可調(diào)性。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備出一系列具有不同類(lèi)型拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu)的PbTiO3/SrTiO3超晶格，并基于自主開(kāi)發(fā)的片上毫米波介電測(cè)量技術(shù)完成了性能表征。結(jié)果表明，在30kV/cm外加電場(chǎng)作用下，偶極子波超晶格在70GHz的介電常數(shù)可調(diào)幅度超過(guò)15%；即使頻率提升至110GHz，其介電可調(diào)性仍穩(wěn)定保持在8%以上，整體上表現(xiàn)出優(yōu)異的寬頻段電場(chǎng)響應(yīng)能力。與之對(duì)比，通量閉合疇（flux closure）超晶格在相同測(cè)試條件下幾乎不表現(xiàn)出明顯的介電調(diào)控能力。
圖1.PbTiO3/SrTiO3偶極波子超晶格的毫米波介電可調(diào)功能
結(jié)合原位光學(xué)二次諧波表征、同步輻射X射線(xiàn)衍射表征與基于深度勢(shì)能的分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究團(tuán)隊(duì)揭示了偶極子波結(jié)構(gòu)中連續(xù)起伏、協(xié)同響應(yīng)的極化排列方式是其關(guān)鍵性能機(jī)理。這種獨(dú)特的極化構(gòu)型在高頻電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下更易發(fā)生極化旋轉(zhuǎn)，從而釋放出遠(yuǎn)高于常規(guī)鐵電疇結(jié)構(gòu)的介電調(diào)控潛力。這類(lèi)鐵電拓?fù)洚牪牧嫌型谳^低驅(qū)動(dòng)電壓下實(shí)現(xiàn)對(duì)毫米波信號(hào)的高效調(diào)制，為可重構(gòu)毫米波相控陣天線(xiàn)、可調(diào)移相器以及新一代高頻射頻前端器件提供了兼具高性能與可集成性的材料新選擇。
圖2.基于深度勢(shì)能的分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果
研究成果以“鈦酸鉛/鈦酸鍶超晶格中由極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的毫米波介電可調(diào)性”（Millimeter-wave dielectric tunability driven by topological polar structure switching in PbTiO3/SrTiO3 superlattices）為題，于2月13日在線(xiàn)發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
清華大學(xué)材料學(xué)院2025屆博士畢業(yè)生王思旭、西湖大學(xué)博士后楊季元為論文共同第一作者，李千與劉仕為論文共同通訊作者。論文其他重要合作者包括清華大學(xué)材料學(xué)院教授李敬鋒、東京科學(xué)大學(xué)教授舟窪浩（Hiroshi Funakubo）、美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究員劉銳、國(guó)家納米科學(xué)中心研究員鄭強(qiáng)等。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金、北京市自然科學(xué)基金和浙江省自然科學(xué)基金等的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-026-69440-x
供稿：材料學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
