中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 中科院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心馬秀良研究團隊在氧化物鐵電材料中發(fā)現(xiàn)半子(Meron，也有音譯為麥紉)拓撲疇以及周期性半子晶格。這一發(fā)現(xiàn)是繼通量全閉合之后，該研究團隊在有關(guān)鐵電材料拓撲疇結(jié)構(gòu)方面的又一項重要突破，為與鐵磁材料類比的結(jié)構(gòu)特性再添新的實質(zhì)性內(nèi)容，也將為探索基于鐵電材料的高密度信息存儲器件提供新思路。2020年6月1日，《自然·材料》以“氧化物鐵電材料中發(fā)現(xiàn)極化半子晶格”為題在線發(fā)表了該研究成果。該項工作由馬秀良、朱銀蓮、王宇佳、馮燕朋、唐云龍等人共同設(shè)計和完成。

拓撲疇結(jié)構(gòu)具有拓撲保護性，可使數(shù)據(jù)得以長時間保存，在非易失性信息存儲方面具有重要應(yīng)用價值。然而，鐵電材料中的拓撲疇一般都包含本體對稱性不允許的連續(xù)極化旋轉(zhuǎn)。如何突破鐵電極化與晶格應(yīng)變的相互制約，實現(xiàn)極化反轉(zhuǎn)與晶格應(yīng)變的有效調(diào)控，獲得有望用于超高密度信息存儲的結(jié)構(gòu)單元，是當今鐵電材料領(lǐng)域面臨的一個基礎(chǔ)性科學難題。

據(jù)介紹，該研究團隊經(jīng)過長期的學術(shù)積累，近年來在解決上述基礎(chǔ)科學難題方面相繼取得突破。他們曾實施應(yīng)變調(diào)控在鈧酸鹽襯底上構(gòu)筑出一系列超薄的鐵電PbTiO₃/SrTiO₃多層膜，利用具有原子尺度分辨能力的像差校正電子顯微術(shù)，不僅發(fā)現(xiàn)通量全閉合疇結(jié)構(gòu)及其新奇的原子構(gòu)型圖譜，而且觀察到由順時針和逆時針閉合結(jié)構(gòu)交替排列所構(gòu)成的大尺度周期性陣列。

半子是拓撲荷為±1/2的非平面型拓撲疇結(jié)構(gòu)。鐵電材料中周期性半子晶格的發(fā)現(xiàn)是該研究團隊在前期應(yīng)變調(diào)控方法的基礎(chǔ)上，通過像差校正電子顯微成像并結(jié)合相場模擬，使得半子拓撲疇結(jié)構(gòu)所特有的面外極化與面內(nèi)極化一同在實空間呈現(xiàn)出來。他們在外延生長在SmScO₃襯底上的超薄PbTiO₃薄膜（5nm）中不僅發(fā)現(xiàn)面內(nèi)匯聚型和面內(nèi)發(fā)散型半子，而且發(fā)現(xiàn)反半子結(jié)構(gòu)，以及半子與反半子組合后發(fā)生湮滅所形成的拓撲荷為零的疇結(jié)構(gòu)。通過對像差校正顯微圖像中離子位移的定量分析，發(fā)現(xiàn)半子和反半子按照一定的規(guī)律形成晶格(會聚型半子形成8nm′8nm的二維周期性正方晶格)。相場模擬表明形成半子晶格有利于降低體系的彈性能，從而使得包含半子晶格的模型比隨機分布的半子模型能量更低。

該項工作進一步完善了通過失配應(yīng)變調(diào)控鐵電材料拓撲疇結(jié)構(gòu)的重要性和有效性，揭示了極化體系中的電偶極子在一定條件下具有類似特殊凝聚結(jié)構(gòu)的準粒子行為，對探索基于鐵電材料的高密度非易失性信息存儲器件具有重要意義。同時，新型鐵電拓撲疇得以在實空間以直觀的形式呈現(xiàn)，這表明具有亞埃尺度分辨能力的像差校正電子顯微術(shù)以及在此基礎(chǔ)上的定量分析是科學家認識物質(zhì)結(jié)構(gòu)和自然規(guī)律的有力手段。

外延生長在SmScO₃襯底上的PbTiO₃超薄膜中會聚型半子的面內(nèi)應(yīng)變和晶格旋轉(zhuǎn)信息(a, b, c)；會聚型和發(fā)散型半子交替排列所形成的周期性半子晶格示意圖(d)。

半子晶格的原子尺度信息。(a)三維展示圖；(b)截面樣的離子位移圖；(c)平面樣的離子位移圖；(d)平面離子位移圖中一個半子的放大圖。

半子晶格的相場模擬結(jié)果。(a)三維展示圖；(b, c)匯聚型和發(fā)散型半子的截面極化矢量圖；(d)半子和反半子的平面極化矢量圖；(e, f)圖d中兩個半子的三維極化矢量圖。

隨機半子模型的相場模擬結(jié)果。(a)水平截面圖；(b-e)圖a中四個區(qū)域的極化矢量和拓撲密度分布圖；(f-i)這四個拓撲疇結(jié)構(gòu)的三維極化矢量圖。