引子
且说正在国内外风生水起的“原子制造”，在笔者看来，可能是一封具有足够诚意的、就像半导体物理那般、由物理人写给未来产业的“数字情书”。笔者的合作者 Ising 老师，曾经针对“原子制造”这一主题写过四篇读书笔记，分别是《未知之所》、《基础先行》、《局域遍历性》、《digital模式》。读者感兴趣的话，点击这些标题御览即可。
笔者读了一遍这些笔记，留下的印象是这一领域还存在太多未知、却具有极大发展潜力。其中有两个例子，至今让笔者记忆犹新：(1) 团簇的幻数效应，能获得大量分立的C60结构单元，并使其在适当处理后不发生团聚，实现颗颗可数、粒粒可操。将这些C60当成积木单元，即便在宏量级别(如亚kg级)亦能做到“撒豆成兵”，实现组装、转运和集成。(2) 二维魔角效应，则通过单原子层间简单地扭一个0.1°角度，得到的莫尔超晶格就能“more is different”和“换了人间”、呈现出关联量子的一系列宏观效应如超导、反常霍尔、巨大磁电阻等。这样的策略，有一些共通的“心法”：先搭建可“digital”化的原子级结构单元(前者是C60、后者是莫尔纹理单元)，再写“0/1”两态或者多态。于此，便把自然混沌收进原子制造的“人事棋盘”。
目前看去，物理人苦心孤诣经营了多年的微纳制造，尚还没有达到顺利走向“原子制造”的层面。它们之间，仍横亘着一条gap。其中最核心一点，是要实现批量、高精度、可控的原子级元件制造。纯粹的“由下而上(bottom-up)”技术路线，未必能很好承担这一使命，如下文会再提及。毕竟，多年的实践证明，由下而上堆砌的绝大多数尝试，缺乏精度和长程有序。“由上而下(top-down)”的光刻技术，如果以某种变革方式继续在原子制造中得到拓展，那是最高的智慧！可惜，因为受到光波波长的干涉衍射效应，光刻存在波长下限，虽然有些波前工程可以部分解决问题，如林本坚先生那伟大的浸没式光刻技术。
光刻的本质，与其说是图案化掩膜，不如说是利用光束引导材料落位(成核、生长、制造)。因此，引导、定位而雕刻，才是物理本质。这份可控高精度“雕刻”的智慧，是人类制造史上的高明功夫。原子制造，如果能发扬这种理念，应当是一件幸事。当然，目前的技术储备，将希望寄托在获取更细、波长更短的光源这条路径，而探索让材料自己利用某种可以digital化的效应，“长出”原子级结构单元，应该是一种不错的尝试。正如Ising在读书笔记《digital模式》里梳理的：最好能够一步digital化完成原子级制造，为低成本、大规模创造条件。
本文将触及这一问题。诚然，问题的维度太多、深度太深。不失一般性，不妨将着力点放在一个具体对象上。本文将以最具代表性的铁性信息存储为对象。这一选择，不可谓不典型、不可谓不重要，读者应该不会非议。
在铁性材料中，这种digital化效应能否实现，首先是得有一些可供digital化的结构单元或基元。这样的基元，可不是信手拈来的，或者说非常稀缺。铁性，通常包括铁磁、铁弹和铁电三类(三铁)。这里以铁磁、铁电为例，先作一些简单图像描述。
铁磁体中，(1)最容易想到的、可能具有digital化的微纳单元，是单个自旋。其实，这一单元，早就被物理人关注并成功用来digital化：金刚石中色心，就是利用单个自旋进行探测，在此不论。很多读者可能以为核磁共振NMR亦是利用单个自旋进行探测，其实不是。(2)除此之外，另一熟知的单元就是介观磁畴了。可惜的是，磁畴的尺寸是个开放自由度，很难精确控制。畴本身要作为一个digital单元被利用，难以为继，虽然大众经常以为可行。磁存储中，尚无尝试去利用磁畴本身进行digital化的技术，被利用的反而是畴壁处的杂散场或磁电阻。磁性薄膜的存储位，多是通过光刻定制、包括多个畴在内的空间区域。即便是今天的各种磁性拓扑畴，如呼声很高的磁涡旋畴和skyrmion，其尺寸控制也是一个issue。(3)第三个单元，就是磁畴壁(domain wall)了。作为磁存储应用的软磁材料，其畴壁比较宽、可能覆盖数个纳米的宽区域，难以去奢谈原子制造，虽然畴壁的确是一个既拓扑、又有功能的结构单元。如果是硬磁材料，畴壁可以很窄、达到几个晶胞尺度。只是，硬磁体的矫顽场太大，除了永磁应用外，可用性不强。
铁弹体，因为缺乏基本的时间和空间反演对称破缺性质，在信息存储方面用途似乎不大，虽然铁弹性是智能材料应用的主力军。
因此，除了单个自旋外，三铁之中剩下的，就看铁电体中有无“江湖”风景了！
图 1. 铁电畴壁制造的两条技术路径。
左：“自上而下(top-down)”造一个畴壁。这一方案，可能完成精确制造，却似乎难以实现大规模。事实上，“自上而下”似雕刻艺术品，“雕刻匠”用特殊工具直接在材料上塑造所需的畴壁结构。特殊工具包含但不限于带电针尖、离子刻蚀等。这种方法可以“定制化”畴壁，小而精，但成本较高。右：“自下而上(bottom-up)”生出一个畴壁。这一方案，可能实现规模制造，但可控的精度似乎又不够。事实上，“自下而上”似园丁培育植物，提供适宜的生长条件，加以修剪、引导，引导方式包含但不限于缺陷和屏蔽。这类方式利于培养成大规模的畴壁“花园”，但有点“看天吃饭”。图片来自网络。
2. 铁电畴壁之花甲风景
铁电作为信息存储之一种，也有三个可以拿来讨论、却未必可行的结构单元：单个电偶极子、铁电畴、铁电畴壁。至少对熟知的铁电体，这些单元的物理性质与铁磁、铁弹有很大差别。
(1) 单个电偶极子，不是固体晶格中的一个好量子态，因此难以单独存在。事实上，铁电性是横光学长波声子辅助的、大量电偶极子集合形成阵列而得到的宏观性质。单个电偶极子本身，成不了气候，与单个自旋可稳定存在的行为迥然不同。反过来，正因为电偶极子是晶格性质，其取向就有强各向异性，导致宏观铁电极化具有强晶格各向异性。即便是BiFeO3 (BFO)这种相对比较“软”的铁电体，也只有四个极化取向(正反等价，即八个方向)。
(2) 与铁磁畴比较，铁电畴尺寸控制也是一种鸡肋，因此铁电畴难以digital化。
(3) 铁电极化的强各向异性，意味着铁电畴壁(ferroelectric domain wall, FDW)可以非常sharp、非常薄。多薄呢？目前的球差校正TEM观测告知，畴壁尺度就在1~3个晶胞(< ~1.0 nm)，妥妥的原子尺度。
更有甚者，铁电畴壁FDW，因其独特的晶体对称性和化学环境，俨然是凝聚态物理的一方“原生态江湖”。在这里，电子行为可“离经叛道”：体相绝缘，但畴壁却允电荷一定程度上来去自由。自旋，于铁电畴壁处亦可灵动起舞，呈现一定程度的非常规磁序。光与热的微扰，能激发铁电畴壁运动和振荡，展现奇异性质。铁电畴壁的准二维特性、利于电控、多态耦合等，使其在非易失性存储、逻辑计算与自旋电子学领域开始受到瞩目，被有些乐观的物理人视为“后摩尔时代”纳米电子器件的可能角色。
所以说，对原子制造，三铁之铁磁畴、铁弹畴有些束手无策，只有铁电畴壁可悄悄探出头来：其厚度在晶胞水平，却可能携带“导电/绝缘”两态性质，是一个好的、可digital化的“原子制造”单元。
现在要看的是，铁电畴壁的尺度、性能、可操控性，能否简单粗暴地触及原子制造的主要目标：基于新效应、新功能(emergent phenomena)的器件规模制造？
铁电畴壁要digital化规模制造，具体而言，遭遇到的问题是：(1)众所周知，铁电储存(包括其它功能应用)，都是以畴壁运动(产生/消失)来实现的。但到目前为止，尚无一般性的方法能精准定位和操控畴壁位置。那些畴壁，位置多是随意而居、动力学多是难以捉摸。只有克服这些困难，铁电畴壁才能担当原子digital化的基本单元。(2)这种操控制造，还需要能规模化，即如上提及的、要能自上而下地“光刻”，方堪大用。
感性地说，物理人要寻求一种方案，能训练铁电畴壁FDW，使得其由“听天命”的吊儿郎当，变成“听人事”、“听指挥”、可“digital化”的帽子人才。注意到，铁电畴壁自被发现开始之百年来，多是撒野惯了，都是我行我素、充满不确定性。这一方案的第一要务，是实现其确定性构筑，将这“自由散漫”之辈，塑造成可“造物”的角色！
接下来，先看现状，然后再渲染笔者这些年来天天念叨和折腾的“纳米掩模”，可控规模制造原子级铁电畴壁。本文就是想展示，“纳米掩模”，的确能把这“听天命”随意而居的畴壁规整digital成“听人事”。
2.1. 自上而下制造
现状之一，是所谓“自上而下”的“后天雕琢”(Top-Down Sculptor)。
用于信息存储的铁电结构，例如铁电薄膜，被制备出来后，接下来就要“原子级制造”。目前这种制造的现状，就如STM构建量子化蜡烛一般，乃借微纳尺度的外力工具(如电场、缺陷等)，去驱动畴壁成核与生长。沿此路线的范例很多，略举如下：
(1) 2015年，瑞士知名铁电物理女学者Nava Setter 团队，就用PFM针尖的拖尾电场，去调控畴壁，实现在薄膜表面定点构建可导电的铁电畴壁单元，如图2(A)所示 [1]。这种突发奇想和技巧，十之八九是实验中偶然碰到的，却令人心仪不已，虽然这种拖尾制造的大规模化应该有难以逾越的障碍。
(2) 2023年，浙江大学田鹤团队，则另起炉灶。他们用电场在铁电超薄膜内任意调控面内畴壁，实现多态非易失忆阻器，如图2(B)所示 [2]。田鹤老师们装备精湛，用TEM巧夺天工，一向不在话下，但也有TEM如何实现大规模制造的疑问。
(3) 笔者所在团队拥有的装备明显就要弱一截。通过与新加坡南洋理工大学NTU同行合作，我们曾经借“驭瑕之力”，用离子注入产生缺陷，诱导BFO薄膜形成面内导电反相畴壁，如图2(C)所示 [3]。这一方法，看起来比Setter教授和田鹤老师他们达到的效果要差，但实现规模化制造的障碍要低一些。
这些尝试，都新意盎然、都值得称道，但用起来操控步骤稍显维艰、精度和效率稍显低下，与现代器件的后端规模化制造要求不那么贴合，更别说能否保证原子级精度的调控和规模制造了。
2.2. 自下而上制造
现状之二，是所谓“自下而上”的“先天孕育”(Bottom-Up Gardener)。
自下而上之“下”源，看起来主要依赖薄膜内外的原生或人工的“缺陷”了。它们是铁电晶体中常见的一类能对畴壁形成操控、施加影响的机制。这些缺陷，促成铁电纳米岛自组装，为畴壁量身打造定居之所和工作场地。也举几个例子：
(1) 清华大学南策文老师团队，在可控BFO薄膜中，通过缺陷控制，孕育出拓扑锁定的逻辑畴壁结构，如图2(D)所示 [4]。这是自下而上。
(2) 结构缺陷本身，亦能化身为形核点，助力畴壁阵列生长。加州埃尔文分校潘晓晴教授团队，即利用界面缺陷引起的空间排布，诱导形成局域的、180°畴壁的阵列，如图2(E)所示 [5]。这也是自下而上。
(3) 苏黎世理工Morgan Trassin教授团队，提出用铁电缓冲的“人工通量闭合”畴，消化掉退极化场，如图2(F)所示。同样是自下而上的过程，解决了超薄铁电中的死层难题，甚至稳定了BFO薄膜中具有非常规手性特征的251o畴壁 [6]。
当然，这些“自下而上”之法，形成的畴壁结构，在形貌、分布、密度等操控上，依赖薄膜内缺陷的状态，有那么一点“看天吃饭”的味道。畴壁生成的原子级操控，仍有些随机性。至此，铁电畴壁的确定性构筑策略，仍有改进空间、或者说有机可乘。
行文至此，好像进步不大，又好像好主意都被那些铁电强人都尝试过了。空暇之余，笔者免不了有些“意兴阑珊”。众所周知，铁电材料中，BFO (BiFeO3)堪称“常青树”。如果将被首次规模研究的1960年代作为其出生日，BFO及其薄膜已被关注超过六十年。所谓六十而花甲，本节标题“花甲风景”，即取自于此。
不过，我们也注意到，BFO最风光的岁月，不是青春而立的年轻时代，而是不惑之年到花甲之秋的这二十年(2003~今天)。
超越花甲，就是老骥伏枥了。“老骥伏枥”的破局之路何在？
图 2. 铁电畴壁制造的典型实验实现。
(A) Nava Setter等在BiFeO3 (BFO)薄膜中，利用尾场效应确定性地构造导电畴壁。(B) 浙江大学田鹤团队用电场确定性地操纵超薄BFO的面内畴壁，实现BFO单元表达多态。(C) 我们团队用可控缺陷工程氦离子注入的方式构筑大面积的面内反相畴壁。(D) 清华南策文老师将BFO方形纳米岛作为容器，用几何边界构筑了收敛/发散型畴结构。(E) 米国加州埃尔文潘晓晴老师等利用界面缺陷排布出局域180°畴壁阵列。(F) 瑞士苏黎世理工Morgan Trassin教授等利用铁电缓冲激活超薄铁电“死层”。
(A) from https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26076468。(B) from https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/36653455。(C) from https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/38071396。(D) from https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30038370。(E) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30084144。(F) from https://www.nature.com/articles/s41563-023-01674-2。
3. BiFeO3之老骥伏枥
BFO有丰富的畴壁结构及相互转换的“招式”，如71°、109°、180° 极化构型及其共存与交替；也有蜀国川剧炫目的“变脸”技艺，如菱方R、正交O、四方T相结构及其共存交替。自超高品质外延BFO薄膜问世以来，对BFO的探索一直是铁电物理与材料值得记录的历史：从米国的加州伯克利、密歇根、橡树岭，到国内清华、南大、北师大、物理所。铁电物理人物荟萃，你方唱罢我登场。不变的是，这些人物皆将BFO作为保留曲目，在此留下足迹。
华南师大IAM之笔者所在小团队，过去几年围绕BFO薄膜的畴调控，也做了几件小事：(1)相畴上，先在薄膜和超晶格里实现了BFO的O-R相变[Nano Lett. 17, 5829 (2017)]，再把O-R-T三相整套搬到商用衬底、甚至硅片上。过往对氧化物如何与硅基集成，颇有微词，但对BFO似乎个中障碍已然不大[Matter 4, 1323-1334 (2021); APL 126, 142901 (2025)]。(2)电畴上，用界面效应，任意切换71°/109°阵列畴壁类型[Nano Letters 17, 486 (2017)]，实现了BFO阵列畴壁的确定性多态调控[Adv. Funct. Mater. 33, 2208244 (2023)]。(3)用氦离子诱导大面积准二维导电畴壁[NC 14, 8174 (2023)]。(4)最近，将可控铁电涡旋-反涡旋阵列(vortex-antivortex pair array)整体搬到了BFO/DSO超晶格中，还是很让笔者们自豪的 [7]。
这些或“自上而下”，或“自下而上”的工作，都在为畴壁器件铺路，亦在为原子制造垫台阶。华南师大IAM队伍中，高兴森教授领导的团队，更早用模板生长做出“拓扑容器”，把纳米单元按需安放，绘出了畴结构器件单元化的可行路线 [8]。
这些工作和积累，总算是为靠近“原子制造”这个大目标，做了一些“摩拳擦掌”的准备工作。
3.1. 原子级界面掩模
铁电畴壁要走入产业，仍缺一道“确定性”关卡。今天的硅基芯片，之所以古稀之年依然高歌，乃是基于其可靠、高超的手艺活：涂胶、曝光、刻蚀与沉积等成熟工艺，塑造出超细的、三维叠层嵌套的神奇结构。而畴壁能否成为另一类技艺，亦主要在于确定性和规模制造。不过，畴壁，靠刨、削、掩、蚀，大概压不住精细活，唯有另寻他途。
清华大学于浦教授在早期做出的一些氧化物异质结研究，给了笔者重要启发。于浦老师他们曾经观测到，在(La, Sr)MnO3薄膜表面处、相差仅半个晶格的不同终止面，就足以将沉积于上的BFO薄膜之整体极化沿面外翻转个过，如图3(A)所示 [9]。由此可见，极化之于界面敏感度，可以如此之高。无独有偶，很多研究揭示，异质结界面一侧的原子截止面换一换、晶格畸变拧一拧、界面电荷偏一偏，便引得界面处正/负内建电场立分泾渭。这，宛如光学掩模的透光/遮光，无灰度、却硬判决。界面，或许正是创作畴壁原子级制造的密码。
“掩模”一词，出自光刻先贤，是指以图案挡光。今借其“空间硬判决”之意，弃光而用界面来实现制造，故称之为“界面掩模”。
既要把界面当掩模，就得先阵列化界面。要做到这一点，要么“后天雕琢”，要么“先天孕育”。我们索性一路到底，试图让界面自己形核：不额外光刻、不叠加对准、不增温加压，一步就长出所需要的结构单元，工艺过程显著简化。
有趣的是，在早前的“失败”尝试中，我们曾发现：于一些单晶衬底上生长常用的底电极SrRuO3(SRO)薄膜层时，这SRO层很容易形成一些微结构或者形貌特征(features)。底电极出现微结构或者形貌特征，向来被薄膜生长者避之不及。我们从于浦老师那里得到启示，就尝试以铁电极化对界面高敏感为切入点，看看这些特征能否作为生长、诱导处阵列化界面、实现“纳米掩模”之源。
我们先做了一些预实验：通过调节脉冲激光沉积的“火候”，精确地控制底电极SRO的生长，所得到的表面如图3(B)所示。可以看到，有两个结构特征：(1) SRO层表面呈现清晰的原子级台阶。后续分析揭示，这些不同台阶面，对应不同的表面终止面：SrO面终止面和RuO2终止面 [可参看下文图4(A)示意图]。(2) 存在密密麻麻的微小空洞，意味着这些空洞处没有SRO，因此SRO底电极层实际上存在不连续区域。
需要提及，当初在实验研究的一线研究生，给笔者看这些空洞图片，就让笔者大失所望。未曾记得笔者是否“责骂”了研究生的疏忽、是否懊悔自以为傲的薄膜制备技术为何如此大失水准。Anyhow，冷静下来，去学习文献，终于看到帅哥于浦老师的那篇文章。
不管当时是产生了联想也好，或者是“死马当成活马医”也罢，反正着力点就放在了利用这些台阶和“空洞”去诱导BFO的铁电畴壁生成上。无独有偶，香港理工大学应用物理系的朱叶团队，亦生此念。
于是，我们一拍即合，并肩启程。
图 3. “纳米掩模”的启发思路。
(A) 于浦老师用(La, Sr)MnO3的MnO2原子层和(La, SrO)原子层作为终止面，诱导BFO薄膜的面外极化完全翻转。(B) 我们团队通过调整生长条件，精准地控制了SRO薄膜中的孔洞密度。从左到右：原子级平整的高质量SRO薄膜、高密度孔洞的SRO薄膜。图中所示为SRO薄膜的原子力显微图，条纹为SRO薄膜的原子级台阶、暗色衬度为孔洞。
(A) from https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.1117990109。
3.2. “纳米掩模”制造畴壁阵列
如上所述，利用SRO层中“缺陷”也好、结构特征(features)也罢，参考于浦老师的早期尝试，我们将稍带“创新”的思路总结在图4(A)上。这一思路，意涵简洁，就是看看SRO近邻空洞的边缘处、SRO层表面的台阶处，是否可以成为诱导BFO畴壁之源。事实上，高质量薄膜表面的台阶“制造”，不是一个工艺上的难题。
物理机制上，再说一遍：因为不同界面静电条件不同，铁电薄膜内形成的内建电场也会不同。笔者与合作团队期待，这些表面台阶处、这些与空洞接壤的边缘处，存在静电学上不同的边界条件，从而可能诱发铁电畴壁在此形成。
这样的思路，自然首先要得到理论的支撑。我们幸运得到米国宾州州立大学知名学者陈龙庆教授培养的麾下弟子、谭悦泽博士的支持。他开展了相场模拟，结果如图4(B)所示：岛状SRO，可通过SrO与RuO2原子截止面，带来相反的静电边界条件。这，犹如“纳米掩模”一般，可诱导180° 畴壁在这里“破茧而生”。
理论基石既固，那就开始实验。在DyScO3 (DSO) (001)pc衬底上，我们精准控制PLD生长参数，先沉积带孔洞的SRO层，再生长80 nm厚的BFO薄膜。请读者相信我们：出自我们手里的BFO薄膜，其质量是足够高的！
特别指出，如果薄膜质量接近完美，80 nm厚度的BFO薄膜，当以71°畴壁为主。我们的理论和实验探索，恰恰以SRO层所携带的边缘与台阶为抓手，自组装成不同静电边界阵列，令BFO涌现出贯穿薄膜的180°畴壁阵列。
朱叶老师团队的蔡祥滨博士，善用原子分辨扫描透射电镜STEM。笔者则以压电力显微镜PFM见长。于是，我们各持“看家本领”，清晰地捕捉到畴壁的形态、位置、结构细节信息，如图4所示：
(1) 畴壁阵列，自SRO岛边缘“孕育”，笔直贯穿薄膜。
(2) SRO层的空洞处(空洞里就是衬底DSO的表面)，沉积于其上的BFO薄膜是单畴，其铁电极化向下。
(3) SRO层表面处，原子台阶两侧，SrO原子面终止的区域，其上是极化向上的铁电畴；RuO2原子面终止的区域，其上是极化向下的铁电畴。
(4) 如图所示，就在这原本是71°畴壁为主的薄膜中，我们硬是活生生地“干掉”71°畴壁，用可控的180°畴壁替代，与相场模拟结果吻合。
诚然，上述结果，从未来大规模制造工艺角度去展望，自然不会是100% 的成功率。如果对研究结果做进一步的分析讨论，尚还有一些值得关注的评论：
(a) 大部分情况下，BFO薄膜中的优先成核位点，恰位于SRO岛的边缘处。这呼应了静电边界设计的理念，虽然还可以更好优化，将“大部分”变成“全部”。事实上，环形暗场成像 (ADF) 与X射线能谱 (EDXS) 的结果共同证明：ADF位移图 (原子级精度) 揭示180° 畴壁形成与极化翻转。EDXS则揭示界面A位 (SRO) / B位 (RuO2)终止处几何特征清晰、静电边界条件确凿有效。此乃畴壁确定性调控的实验基石。
(b) 细察之下，部分畴壁成核点，与SRO层边缘存在有斜向“偏移”。这，有点类似于光学掩膜的投影畸变。EDXS原子尺度元素分析揭示，SRO岛与空洞边缘处处于A位 (SrO面) 终止，内表面则处于B位 (RuO2面) 终止。此终止转换，看起来是“斜坡徐行”效应所致：导致铁电畴壁FDW平面发生倾斜。相场模拟与实验共证，180°铁电畴壁的成核，唯静电边界条件“马首是瞻”。
(c) 如图4(A)所示，我们看到，SRO与近邻空洞处的畴壁，与SRO表面台阶处的畴壁，虽然都是畴壁，但它们的取向几何是“成对配置”的，即“左上右下”或者“左下右上”。这种配置，如果我们俯视整个样品、从上向下俯瞰BFO薄膜表面，有很大可能会因为这种“成对配置”而得到更多有趣的畴壁阵列和emergent functionalities。所谓掀开静电“纳米掩模”，就是这个意涵。当SRO区域逐渐缩小，两侧的“畴壁对”开始“感受”彼此的存在。一个结果是畴壁呈现明显弯曲、导致“头对头”或“尾对尾”带电畴壁构型。如此构型，是未来原子制造器件应用的生长点。
图 4. 陈德杨们利用SrRuO3 (SRO) 纳米岛构筑“纳米掩模”架构。
这一架构，实现了BiFeO3 (BFO) 的180°畴壁阵列制备和操控。因为BFO畴壁是一种原子级功能单元，这一结果也是原子级畴壁器件的一种方法展示。(A) 界面掩模的原理示意图，衬底和RuO2界面诱导朝向下的极化，SrO界面诱导朝向上极化，从而形成180o畴壁边界。(B) 相场模拟结果，模拟给定了不同静电界面(上)，结果显示形成了与静电边界几乎吻合的180o畴壁和畴(下)，证明了用SRO作为纳米掩模的思路在物理上是行得通的。(C) 实验上的阵列180o畴壁的TEM相，两种边界情况：左下是通过SRO和非SRO形成静电边界诱导畴壁形成；右下则是通过SRO的不同终止面形成的静电边界所诱导的畴壁。
4. 结语：畴壁电子学的原子制造机遇
作为本文不是结语的结语，笔者以为“作结”还是太早。我们虽然打出了铁电畴壁“原子制造”的旗号，但这一旗帜能否长久矗立，并指点我们攻城略地，才是我们关注的问题。
本文展示的故事线，只是整个计划中“攻城略地”的第一次“攻击”。未来，“纳米掩模”策略或可直指原子级原型器件。这一故事线，亦有望“移植”到其它材料体系，为多场耦合器件设计打开一个额外的维度。由下向上“先天孕育(Bottom-Up Gardener)”的策略，看起来很好地将“由上向下”的“后天雕琢(Top-Down Sculptor)”的精神，融入到原子制造之大势中。我们笃信，铁电畴壁，有很大机会在未来下一代电子学中，绽放自己的光芒。
笔者团队与香港理工大学朱叶教授、蔡祥滨博士等合作，将此项工作撰文，近期刊发于《Science Advances》期刊上。读者若有兴趣，当依据如下论文信息链接，前往御览原文。
在未来的电子器件世界里，铁电畴壁正在从“听天命的随机缺陷”走向“人事定的可编辑单元”。一边是雕刻家，精准地凿出线路；一边是园丁，耐心地引导材料结构生长。两条路，看似不同，却指向同个可期未来。
最后指出，本文描述可能多有夸张、不周之处，敬请读者谅解。对详细内容感兴趣的读者，可点击文尾的“阅读原文”而御览论文原文。
Electrostatic nano-mask patterned 180o domain walls in a ferroelectric film
Xiangbin Cai (蔡祥滨), Yueze Tan, Chao Chen (陈超), Changsheng Chen, Xiangli Che, Chao Xu, Yan Zhao, Haiyang Pan, Yaoding Lou, Jefferson Zhe Liu, Jesús Zúñiga Pérez, Weibo Gao, Long-Qing Chen, Jun-Ming Liu, Deyang Chen (陈德杨), & Ye Zhu (朱叶)
Science Advances 11, eadv9194 (2025)
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv9194
参考文献
[1].Arnaud Crassous et al, Polarization charge as a reconfigurable quasi-dopant in ferroelectric thin films, Nature Nanotechnology 10, 614 (2015). https://www.nature.com/articles/nnano.2015.114。
[2].Z. Liu et al, In-plane charged domain walls with memristive behaviour in a ferroelectric film, Nature 613, 656 (2023). https://www.nature.com/articles/s41586-022-05503-5。
[3].X. Cai et al, In-plane charged antiphase boundary and 180° domain wall in a ferroelectric film, Nature Communications 14, 8174 (2023). https://www.nature.com/articles/s41467-023-44091-4。
[4].J. Ma et al, Controllable conductive readout in self-assembled, topologically confined ferroelectric domain walls, Nature Nanotechnology, 13, 947 (2018). https://www.nature.com/articles/s41565-018-0204-1。
[5].Linze Li et al. Control of domain structures in multiferroic thin films through defect engineering, Advanced Materials 30, e1802737 (2018). https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201802737。
[6].E. Gradauskaite et al. Defeating depolarizing fields with artificial flux closure in ultrathin ferroelectrics, Nature Materials 22, 1492 (2023). https://www.nature.com/articles/s41563-023-01674-2。
[7].C. Chen et al, Emergence of polar vortex-antivortex pair arrays in multiferroic superlattices, Advanced Materials e01894 (2025). https://doi.org/10.1002/adma.202501894。
[8].Z. Li et al, High-density array of ferroelectric nanodots with robust and reversibly switchable topological domain states, Sci. Adv. 3, e1700919 (2017). https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.1700919。
[9].Pu Yu et al. Interface control of bulk ferroelectric polarization, Proceedings of the National Academy of Sciences 109, 9710 (2012). https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.1117990109。
行香子·畴壁韵秋
高爽清秋，盈动铜沟
碧空流照挂长洲
黄桑颜色，冶艳峦丘
望林梢黛、花梢绿、木梢幽
排云玉瘦，东坡金漏
有心无声说遐愁
当前疏野，过往沉浮
谓也风霜、也风露、也风流
备注：
(1) 笔者陈超、陈德杨，任职华南师范大学先进材料研究所IAM研究员和教授。他们长期致力于铁电和多铁性畴结构的精准和原子级操控，课题组网站链接：https://aoe.scnu.edu.cn/a/20200303/1945.html。
(2) 笔者参阅过诸多网络神文名篇，包括《知乎》《百度》和《Bing》上的资料。在此谨致谢意！本文由编辑Ising进行了大篇幅改写，夹塞了笔者和编者的粗知陋见，请读者不以为意！
(3) 小文标题“原子制造铁电畴壁”乃宣传式的言辞，不是物理上严谨的说法。这里只是将多铁性金牌体系BFO中的原子级厚度的畴壁作为一个可高度设计与操控的单元而展开。于此，就有了很多可发挥的物理图像。
(4) 文底图片和小词均由Ising配置。图片乃拍摄于桦墅村山野 (20251024)。那山野颜色就是畴结构，而那一缕光亮就是本文萌生的那180度畴壁。文底小词 (20251025) 原本写金秋时节。所描述的正是丰秋季节，也预示陈超、陈德杨们捣鼓铁电原子级畴壁制造有了收获！
(5) 封面图片来自超哥、德杨他们的论文：左侧显示界面晶体结构，其中SRO层不同终止面会诱导BFO畴壁。右侧是异质结横截面微结构，显示不连续的SRO区域那里有BFO的180o畴壁萌生而出，美轮美奂。
