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金属所在铁电超晶格中发现周期性电偶极子波

2021-07-13 金属研究所
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  拓扑极化结构自身具有拓扑保护性,在信息处理、传输、存储等方面具有重要的应用价值。然而,铁电材料中的极化拓扑结构一般都包含本体对称性不允许的连续极化旋转。如何解决铁电极化与晶格应变的相互制约的问题,实现极化反转与晶格应变的有效调控,获得有望用于超高密度信息存储的结构单元,是当今铁电材料领域面临的一个基础性科学难题。

  近日,中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心马秀良、朱银莲、唐云龙和博士生宫风辉等人在铁电超晶格中发现电偶极子波(electric dipole wave,或称极化波)。7月9日,《科学进展》(Science Advances)以《铁电材料中的周期性极化波》(Atomic mapping of periodic dipole waves in ferroelectric oxide)为题,在线发表了该研究成果。该结果是继通量全闭合畴结构(Science, 2015)和半子晶格(Nature Materials, 2020)的发现之后,该团队在有关铁电材料拓扑畴组态方面的又一项重要研究进展,为与铁磁材料类比的结构特性增添了新的实质性内容,也为探索基于铁电极化的量子材料及器件的构筑提供了新的参考和借鉴。

  研究团队在实现原子层级PbTiO3/SrTiO3超晶格精密沉积的基础上,利用急冷处理,在PbTiO3铁电层中发现了稳定存在的周期性电偶极子波;利用以像差校正电子显微镜为主的多尺度研究手段,揭示了电偶极子波的极化和应变等物理特性。新发现的电偶极子波由头尾相连的电偶极子以类似正弦曲线的形式排布而成,其极化分布特征符合方程y=Asin(2πx/L)+y0。同时,研究团队利用相场模拟理论方法构建了超晶格体系的应变与厚度关系相图,确定了电偶极子波存在的相区,促进了铁电超晶格体系中应变-厚度相图中关于电偶极子波方面的研究。

  该研究工作进一步完善了铁电材料中极化拓扑结构的组态,对设计和研发基于铁电材料的信息传输、处理、存储等功能的电子器件具有重要意义。此外,新型极化拓扑结构在实空间的直接展现,再次表明具有亚埃尺度分辨能力的像差校正透射电子显微术是学界认识物质结构和自然规律的有力工具。

  论文链接 

  图1.(A, B, C)PbTiO3单胞示意图与极化方向的判定;(D, E)HAADF-STEM图像和θ~2θ XRD结构和生长质量表征;(F)傅里叶变换;(G, H)晶格常数与离子位移信息

图2.(A)一个PbTiO3/SrTiO3周期的HAADF-STEM图像;(B, C, D)电偶极子波的极化分布图与细节图;(E)一个电偶极子波的示意图

图3.(A)一个PbTiO3/SrTiO3周期的极化分布图像;(B, C)电偶极子波的正弦函数关系曲线拟合


图4.(A, B, C, D)不同应变条件下一个PbTiO3/SrTiO3周期的极化波极化分布图;(E)极化波的相场模拟图;(F)PbTiO3/SrTiO3超晶格的应变-厚度相图

打印 责任编辑:张芳丹

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