Nature：扭曲BaTiO3独立层中的二维铁电涡旋图

一、【科学背景】

纳米尺度下的铁电性一般取决于对在表面或界面上形成的极化束缚电荷和去极化场的补偿。在纳米铁电体中发现的复杂极性拓扑结构是由于材料发展均匀极化的内在趋势与施加在样品上的电和机械边界条件之间的微妙平衡。铁电介质界面是一种模型系统，其中极化卷曲源于开路样电学边界条件，以避免极化电荷的积累，通过形成通量闭合畴，在纳米级水平上演变成涡状结构。虽然已知铁电性与应变（均匀和非均匀）强耦合，但由于可通过实验实现的应变模式相对较少，因此机械约束对薄膜纳米级铁电性的影响的研究相对较少。最近，J. Santamaria教授带领的研究团队在展示了具有控制扭转角的独立铁电钙钛矿层的堆叠，以一种由与扭转相关的侧向应变调制决定的方式来定制这些拓扑纳米结构。此外还发现极化与应变梯度的挠性电耦合产生了一种特殊的极化涡和反涡模式，为创造二维高密度涡旋晶体提供了机会，从而能够探索以前未知的物理效应和功能。

二、【创新成果】

近日，来自西班牙马德里康普顿斯大学的J. Santamaria教授团队的科研人员在Nature发表了题为“A 2D ferroelectric vortex pattern in twisted BaTiO3 freestanding layers”的论文，该项研究展示了由两个扭曲的独立铁电BaTiO₃（BTO）层之间的界面匹配引起的横向应变调制设置了一个无法通过外延应变获得的机械边界条件，并且在很大程度上可以通过相对旋转角控制。对称和反对称剪切应变的纳米级调制分布产生了显著的旋转极化纹理，具有交替的顺时针和逆时针涡流和反涡流，其分布、间距和大小由扭转角控制。

图1  扭曲BTO双层结构的应变和极化调制 © 2024 Springer Nature

第一性原理模拟表明，这种高度局部化对称和反对称剪切的复杂配置伴随着铁电涡旋二维调制同时存在，并构成稳定的平衡态。剪切应变梯度与复杂极化织构之间的耦合关系是通过直接的挠曲电效应来调制的。

图2  BTO中铁电涡旋晶格的DFT模型 © 2024 Springer Nature

 三、【科学启迪】

综上，研究人员发现有可能在扭曲的独立铁电层中诱导出非三维铁电纹理，其驱动力来自于扭曲层之间界面上的耦合，也就是层间有效施加的机械边界条件。这些耦合作用会在铁电层中产生较大的应变梯度，进而通过挠曲电效应对均匀极化状态产生类似涡旋的调制。因此，研究人员发现通过控制扭转角度，可以在很大程度上调整二维涡旋图案的周期性。与先前在生长方向受限的铁电薄膜中发现的铁电织构不同，本研究的极面图是二维的，并且通过控制双层膜的扭转角度来调节高度，因此，它更适合应用于高密度铁电存储器。本研究表明，具有不同铁电体的层间的邻近相互作用可能在很大程度上取决于扭转角，扭曲异质层必将为探索表面物理和化学领域以前未知的现象提供机会。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06978-6

本文由赛恩斯供稿。