在下一代无线通信、雷达和传感技术日益增长的需求推动下，具备可调介电性能的铁电薄膜材料成为研究热点。传统的铁电陶瓷虽然在高电场下可实现良好的介电调谐能力，但通常伴随着高损耗和高功耗的问题，制约了其在微波器件中的广泛应用。如何在低电场下实现高调谐率、同时维持低损耗，是当前可调介电材料面临的核心挑战。近年研究发现，铁电材料在其非极化的顺电相中，仍可能存在局域极化结构——极化纳米团簇（polar nanoclusters, PNCs），其可在外电场作用下响应调谐，提供了一种全新的介电调谐路径。然而，如何精准调控这些PNCs的形成与稳定性，并实现其在微波频段的有效调谐响应，仍缺乏系统研究。

在本研究中，作者通过工程化调控BaTi_0.85Sn_0.15O₃(BTS) 薄膜中的极化纳米团簇结构，实现了室温下极高的微波介电可调性与超低损耗。优化后的薄膜在仅15 V直流偏压下，于6 GHz频率实现了约74%的介电可调率，损耗仅为0.020，显著优于多数现有薄膜材料。

通过PFM（压电力显微镜）与TEM（透射电子显微镜）等多尺度表征手段，揭示了该体系中极化纳米团簇的形成机制：这些PNCs被嵌入在表观上为立方顺电结构的基体中，受限于局域晶格畸变、孪晶界及微区成分起伏等因素，实现了在外电场作用下的快速响应与介电调谐。同时，Raman光谱与微波阻抗谱进一步验证了PNCs在高频下的稳定存在与活跃响应。这些纳米级极化区域在外电场作用下可快速取向并调节介电常数，从而在低偏压下实现强烈的介电响应。该材料在低电压、小尺寸下即可实现优异调谐行为，为新一代高性能、低功耗、可集成的可调微波器件提供了可行方案。

相关成果以“Engineering polar nanoclusters for enhanced microwave tunability in ferroelectric thin films”为题发表在国际知名期刊Nature Communications上。英国玛丽女王大学阮涵池博士和张航风博士后助理研究员为论文的共同第一作者，晏海学教授和郝阳教授为论文共同通讯作者。

图1，BTS薄膜的结构与形貌表征。

图2，不同烧结温度下薄膜的介电性能及微波调谐特性，850 °C样品在6 GHz下实现最高调谐率与最低损耗。

图3，低温与高温下PFM和Raman分析揭示极化团簇的形成与演化机制。

图4，原子分辨STEM分析显示局域晶格失配与双晶界共存，验证极化纳米团簇的结构起源。

本研究首次系统揭示了通过极化纳米团簇工程实现高可调性与低损耗兼具的铁电薄膜策略。研究不仅在性能上突破了传统BaTiO₃系薄膜的限制，更为设计新型可调谐介电材料提供了普适思路。未来，该策略有望广泛应用于5G/6G通信、雷达成像、可重构天线与智能微波器件等关键领域，助力低功耗与高频响应的电子系统发展。