压电材料可在机械应力与电信号之间实现相互转换，是传感器、执行器及能量收集装置的重要组成部分。由于铅锆钛酸盐（PZT）等高性能压电材料含铅并具有毒性，业界持续推动无铅压电材料的替代方案研发。

作为无铅候选材料之一，铁酸铋（BiFeO₃）薄膜在厚度低于约30纳米时压电性能会出现明显衰减，这一限制被认为制约其在智能手机、医疗植入设备等微型化场景中的应用。

中国科学院金属研究所研究人员及其合作团队近日报告称，通过对超薄BiFeO₃薄膜进行结构工程化设计，成功突破上述“厚度极限”，并实现压电响应较传统形态提升四倍以上。相关成果于3月13日发表在《Science Advances》。

研究团队采用特制多层异质结构，在超薄BiFeO₃薄膜中发现并稳定了一种过渡的“S相”。研究指出，该亚稳相有助于促进材料极化方向的旋转，使薄膜在仅数纳米厚度下仍能释放潜在的压电性能。

论文通讯作者唐云龙表示，这项工作显示BiFeO₃中的电偶极子可与界面应变及其局部原子环境发生强耦合，从而形成新的极化构型，而这被认为是调控压电响应的关键因素。

研究人员利用原子级成像与定量电机械显微技术对S相进行了直接观测，并在厚度为16个单元格的薄膜中测得压电系数d33约为30 pm/V，约为标准菱方晶系BiFeO₃的四倍。

研究团队认为，该结果为高性能、环保压电材料的设计提供了新的思路，并有望推动其在超微型传感器、执行器以及微机电系统中的集成应用。