相场模拟是介观尺度 (nm~um) 上研究材料微观结构演化并预测其性能的一种有效理论研究工具，已被用于铁性 (铁电、铁磁、铁弹等) 材料畴结构与其性能关联及预测的研究。(1) 首先，针对HfO₂基铁电薄膜中如何建立原子尺度“隔离带”与宏观电学性能之间的关联问题，借助相场模拟，我们表明了无尺度的铁电畴独立翻转特性 (横向尺寸为 1 nm的极性畴仍能稳定) 和尖锐的畴壁，这些起源于相邻畴之间弱的相互作用，这种相互作用能通过梯度能系数来量化，这揭示了隔离带在铁电畴动力学中的介观机制。同时，阐明了180°极化翻转机制，它是以新畴的形核为主导，且具有高的形核密度，这与形核受限翻转模型一致。该研究不仅提供了隔离带在铁电畴动力学中的介观机制，而且进一步推动铁电畴态的精细调控、高密度快速且CMOS兼容性的HfO₂基薄膜铁电存储器方面的研发。(2) 其次，针对中心对称的铁弹材料 (如BiVO₄) 中极性畴壁的起源问题，介观相场模拟表明：铁弹孪生畴的形成源于四方相到单斜相 (T-M) 相变的自发应变，极性畴壁源自畴壁处应变梯度引起的挠曲电效应，且极化强度的大小主要来自剪切应变梯度的贡献。研究结果不仅为铁弹孪生畴的形成机制提供了深入的理解，而且揭示了由铁弹畴壁处应变梯度诱导的极性畴壁起源。(3) 最后，针对铁电氧化物薄膜本征脆性 (形变小于~1%)，相场模拟揭示了自支撑的BiFeO₃薄膜在大的弯曲变形 (~5%应变) 下超弹性的起源：菱方相到四方相 (R-T) 的可逆相变和接近可逆的畴结构演化共同贡献了其超弹性，有望用于柔性铁电电子器件。

铁电材料因其独特的电极化和介电非线性特征在能量和信息存储、介电调谐等众多领域中得到学术界和产业界的广泛关注。基于无铅弛豫铁电材料研制的陶瓷电介质电容器具有充放电速度快、功率密度高、稳定性优异且环境友好等特点，结合化学计量比和化学成分调控、层状结构设计等策略促进无铅陶瓷电介质电容器的储能密度和储能效率得到协同增强，为实现兼具高储能密度和高储能效率的储能陶瓷电容器提供了新思路和新方法。与此同时，鉴于传统钙钛矿型铁电材料存在尺寸微缩性和工艺兼容性等问题，进一步结合层状结构设计策略对新型氧化铪基铁电薄膜的铁电和介电性能进行调控，在400-500℃退火条件下得到厚度约为9 nm且表现出优异铁电性能 (剩余极化强度2P_r高达~43 μC/cm²) 的氧化铪基铁电薄膜，并且在2.5 V较低电压下可以实现51%左右的介电调谐率，其电学性能经过10⁹次循环后依然呈现出优异的稳定性，在一定程度上实现了纳米尺度氧化铪基薄膜铁电和介电性能及其可靠性的优化。

磁性隧道结是自旋电子学的核心器件，在磁性存储器、自旋逻辑器件等方面都有重要应用。磁性隧道结是两层磁性层中间夹一非磁性绝缘层的三明治结构，调控磁性层的磁矩取向能够调控磁性隧道结的电阻，目前主要利用电流，通过自旋转移力矩或自旋轨道力矩效应来实现对磁性隧道结的调控。而在铁磁/铁电多铁异质结构中，基于应变媒介磁电耦合，能够实现电场对磁性的调控，为发展电场调控型低能耗自旋电子器件提供了技术方案。为此，我们结合磁性隧道结和铁电材料，在铁电衬底上成功制备高质量磁性隧道结，通过应变媒介磁电耦合使自由层磁矩旋转90度，实现了室温零磁场下电场对磁性隧道结电阻的非易失性调控；进一步，通过引入多方向应变连续调节自由层磁矩旋转和引入磁偶极相互作用，成功实现了电场对隧道磁电阻高/低电阻态的完全调控。相关研究为发展电写磁读的新型自旋存储器件提供了参考。