【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】導讀：拓撲極化結(jié)構(gòu)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(yīng)用價值。然而，鐵電材料中的極化拓撲結(jié)構(gòu)一般都包含本體對稱性不允許的連續(xù)極化旋轉(zhuǎn)。如何解決鐵電極化與晶格應(yīng)變的相互制約的問題，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。
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(fā)現(xiàn)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(fā)表了該研究成果。該結(jié)果是繼通量全閉合疇結(jié)構(gòu)(Science, 2015)和半子晶格(Nature Materials, 2020)的發(fā)現(xiàn)之后，該團隊在有關(guān)鐵電材料拓撲疇組態(tài)方面的又一項重要研究進展，為與鐵磁材料類比的結(jié)構(gòu)特性增添了新的實質(zhì)性內(nèi)容，也為探索基于鐵電極化的量子材料及器件的構(gòu)筑提供了新的參考和借鑒。
研究團隊在實現(xiàn)原子層級PbTiO3/SrTiO3超晶格精密沉積的基礎(chǔ)上，利用急冷處理，在PbTiO3鐵電層中發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)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(yīng)變等物理特性。新發(fā)現(xiàn)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(gòu)建了超晶格體系的應(yīng)變與厚度關(guān)系相圖，確定了電偶極子波存在的相區(qū)，促進了鐵電超晶格體系中應(yīng)變-厚度相圖中關(guān)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(jié)構(gòu)的組態(tài)，對設(shè)計和研發(fā)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(jié)構(gòu)在實空間的直接展現(xiàn)，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(shù)是學界認識物質(zhì)結(jié)構(gòu)和自然規(guī)律的有力工具。
