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    我国学者在铁电材料中发现周期性半子晶格

    日期 2020-06-30   来源:工程与材料科学部   作者:郑雁军 邓意达  【 】   【打印】   【关闭

    图. 外延生长在SmScO3衬底上的PbTiO3超薄膜中会聚型半子的面内应变和晶格旋转信息

      在818棋牌官网项目(批准号:51671194、51971223、51922100)等资助下,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研究团队在铁电材料中发现半子(Meron,也称之为麦纫)拓扑畴以及周期性半子晶格。研究成果以“应变氧化物铁电体中的极化半子晶格(Polar meron lattice in strained oxide ferroelectrics)”为题,于2020年6月1日在《自然·材料》(Nature Materials)上在线发表。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41563-020-0694-8。

      拓扑畴结构具有拓扑保护性,可使数据得以长时间保存,在非易失性信息存储方面具有重要应用价值。然而,铁电材料中的拓扑畴一般包含本体对称性不允许的连续极化旋转。如何突破铁电极化与晶格应变的相互制约,实现极化反转与晶格应变的有效调控,获得应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。

      最近,该研究团队在前期应变调控方法的基础上,通过像差校正电子显微成像并结合相场模拟,使得半子结构所特有的面外极化与面内极化在同一空间呈现。他们在外延生长钪酸钐(SmScO3)衬底上的超薄钛酸铅(PbTiO3)薄膜(5nm)中不仅发现面内汇聚型和面内发散型半子,而且发现反半子结构,以及半子与反半子组合后发生湮灭所形成的拓扑荷为零的畴结构(如图)。通过对像差校正显微图像中离子位移的定量分析,发现半子和反半子按照一定的规律形成晶格(会聚型半子形成8nm×8nm的二维周期性正方晶格)。相场模拟表明,形成半子晶格有利于降低体系的弹性能,从而使得包含半子晶格的模型比随机分布的半子模型能量更低。

      该研究进一步完善了通过失配应变调控铁电材料畴结构的重要性和有效性,揭示了极化体系中的电偶极子在一定条件下具有类似特殊凝聚结构的准粒子行为,对探索基于铁电材料的高密度非易失性信息存储器件具有重要意义。




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