浙江大学Nature Communications:铁电拓扑结构的原位调控成果

2019年10月，浙江大学联合美国宾夕法尼亚州立大学课题组在Nature Communications上发表题为“Manipulating topological transformations of polar structures through real-time observation of the dynamic polarization evolution”的最新研究成果。该研究报道了一种原子级别操纵铁电涡旋拓扑结构的方法，并对拓扑变换过程所蕴含的物理意义进行了深入探讨。

与铁电铁磁相关联的拓扑结构为下一代高密度存储器件重要研究方向之一。在钙钛矿氧化物多铁材料（如PbTiO₃/SrTiO₃）中，畴结构因其与铁电性、导电性、磁性等诸多丰富物理特性的紧密关联而具有极高研究价值。课题组利用配备能量单色器的球差矫正扫描透射电子显微镜结合原位电学系统，发展了具有高调控自由度的原位实验方法；在原子级别实现了对铁电拓扑结构的有效操控与演变的实时，动态观测；在电子结构层面揭示了拓扑结构的演变特征；从而厘清了在外加电场作用下的拓扑相变规律；为高质量、高性能铁电拓扑结构材料的设计提供了有价值的实验依据。

 图1. 原子级别实时观测和原位操控铁电拓扑结构的转变

本工作利用PLD生长获取了原子级别平整的PbTiO₃/SrTiO₃多层薄膜材料，通过微结构表征与GPA阐明了局域应力对铁电畴结构规律性演变的调控作用。在此基础上采用非接触式原位电学方法，在原子级别实时观测到了铁电拓扑结构从涡旋态（vortex）、稳定波纹态（wave），进而到单畴极化状态（polar down）的转变过程。在对各演化阶段的应力状态进行探讨的同时，利用原子级分辨的电子能量损失谱表征手段，获取了不同畴结构的电子结构信息，对可能存在于特定拓扑构型的电荷聚集与拓扑演变过程中的电荷转移做出了预测。

图2. 原子级别的电子能量损失谱表征

该项研究工作由浙江大学张泽院士和田鹤研究员提出设计构思，谢燕武研究员开展了薄膜材料制备工作，陈龙庆教授提供模拟与理论解释支撑，博士生杜凯进行了电子显微学及原位方面的表征研究。博士生杜凯为论文的第一作者，张泽院士和田鹤研究员为论文的通讯作者。该项研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和国家重点基础研究发展计划等项目资助。（文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-12864-5）

本文由浙江大学张泽院士团队田鹤课题组供稿。

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