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    金屬所在鐵電超晶格中發現周期性電偶極子波

    2021-07-13 金屬研究所
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      拓撲極化結構自身具有拓撲保護性,在信息處理、傳輸、存儲等方面具有重要的應用價值。然而,鐵電材料中的極化拓撲結構一般都包含本體對稱性不允許的連續極化旋轉。如何解決鐵電極化與晶格應變的相互制約的問題,實現極化反轉與晶格應變的有效調控,獲得有望用于超高密度信息存儲的結構單元,是當今鐵電材料領域面臨的一個基礎性科學難題。

      近日,中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心馬秀良、朱銀蓮、唐云龍和博士生宮風輝等人在鐵電超晶格中發現電偶極子波(electric dipole wave,或稱極化波)。7月9日,《科學進展》(Science Advances)以《鐵電材料中的周期性極化波》(Atomic mapping of periodic dipole waves in ferroelectric oxide)為題,在線發表了該研究成果。該結果是繼通量全閉合疇結構(Science, 2015)和半子晶格(Nature Materials, 2020)的發現之后,該團隊在有關鐵電材料拓撲疇組態方面的又一項重要研究進展,為與鐵磁材料類比的結構特性增添了新的實質性內容,也為探索基于鐵電極化的量子材料及器件的構筑提供了新的參考和借鑒。

      研究團隊在實現原子層級PbTiO3/SrTiO3超晶格精密沉積的基礎上,利用急冷處理,在PbTiO3鐵電層中發現了穩定存在的周期性電偶極子波;利用以像差校正電子顯微鏡為主的多尺度研究手段,揭示了電偶極子波的極化和應變等物理特性。新發現的電偶極子波由頭尾相連的電偶極子以類似正弦曲線的形式排布而成,其極化分布特征符合方程y=Asin(2πx/L)+y0。同時,研究團隊利用相場模擬理論方法構建了超晶格體系的應變與厚度關系相圖,確定了電偶極子波存在的相區,促進了鐵電超晶格體系中應變-厚度相圖中關于電偶極子波方面的研究。

      該研究工作進一步完善了鐵電材料中極化拓撲結構的組態,對設計和研發基于鐵電材料的信息傳輸、處理、存儲等功能的電子器件具有重要意義。此外,新型極化拓撲結構在實空間的直接展現,再次表明具有亞埃尺度分辨能力的像差校正透射電子顯微術是學界認識物質結構和自然規律的有力工具。

      論文鏈接 

      圖1.(A, B, C)PbTiO3單胞示意圖與極化方向的判定;(D, E)HAADF-STEM圖像和θ~2θ XRD結構和生長質量表征;(F)傅里葉變換;(G, H)晶格常數與離子位移信息

    圖2.(A)一個PbTiO3/SrTiO3周期的HAADF-STEM圖像;(B, C, D)電偶極子波的極化分布圖與細節圖;(E)一個電偶極子波的示意圖

    圖3.(A)一個PbTiO3/SrTiO3周期的極化分布圖像;(B, C)電偶極子波的正弦函數關系曲線擬合


    圖4.(A, B, C, D)不同應變條件下一個PbTiO3/SrTiO3周期的極化波極化分布圖;(E)極化波的相場模擬圖;(F)PbTiO3/SrTiO3超晶格的應變-厚度相圖

    打印 責任編輯:張芳丹

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