金屬所研究人員在鐵電材料中發(fā)現(xiàn)通量全閉合疇結(jié)構(gòu)以及由順時(shí)針和逆時(shí)針閉合結(jié)構(gòu)交替排列所構(gòu)成的大尺度周期性陣列。4月16日，美國(guó)《科學(xué)》(Science)周刊率先通過(guò)“Science Express”在線發(fā)表了該項(xiàng)研究成果，并將在幾周后以“Report”形式正式發(fā)表。這項(xiàng)工作由沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室固體原子像研究部馬秀良研究員、朱銀蓮研究員和唐云龍博士等人組成的材料界面電子顯微學(xué)研究團(tuán)隊(duì)與磁學(xué)及磁性材料研究部張志東研究員以及烏克蘭和美國(guó)的科學(xué)家合作完成。
鐵電材料與鐵磁材料具有極強(qiáng)的類(lèi)比性，如類(lèi)似的電（磁）滯回線、極化序參量以及疇結(jié)構(gòu)組態(tài)等等。相比于鐵磁領(lǐng)域的研究和應(yīng)用比較成熟的發(fā)展，鐵電材料的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究明顯滯后，反映出兩者物理本質(zhì)上的不同。自1986年起，物理學(xué)家相繼預(yù)測(cè)在一定的條件下鐵電材料中可能出現(xiàn)通量全閉合結(jié)構(gòu)，且理論上該結(jié)構(gòu)可帶來(lái)超高密度的信息存儲(chǔ)功能。盡管通量全閉合結(jié)構(gòu)在鐵磁材料中已獲普遍認(rèn)識(shí)，但經(jīng)過(guò)近三十年的探索，在鐵電材料中卻一直沒(méi)有得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。其主要困難在于鐵電材料中通量全閉合結(jié)構(gòu)必然導(dǎo)致巨大的晶格應(yīng)變。如何突破鐵電極化與晶格應(yīng)變的相互制約，實(shí)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(chǔ)的結(jié)構(gòu)單元，是當(dāng)今鐵電材料領(lǐng)域面臨的一個(gè)重大基礎(chǔ)性科學(xué)難題。
金屬所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室的固體原子像界面結(jié)構(gòu)研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于材料基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題的電子顯微學(xué)研究，經(jīng)過(guò)多年的學(xué)術(shù)積累并與國(guó)內(nèi)外相關(guān)科學(xué)家合作，在解決上述重大科學(xué)難題方面取得突破。他們通過(guò)逆向思維設(shè)計(jì)，實(shí)施應(yīng)變調(diào)控在鈧酸鹽襯底上制備出一系列超薄的PbTiO3鐵電薄膜；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(shí)針和逆時(shí)針閉合結(jié)構(gòu)交替排列所構(gòu)成的大尺度周期性陣列。在此基礎(chǔ)上，他們揭示了周期性閉合結(jié)構(gòu)的形成規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在一定的薄膜厚度范圍內(nèi)由通量閉合結(jié)構(gòu)構(gòu)成的周期性陣列的周期大小與薄膜厚度之間成比值約為
的線性關(guān)系；推導(dǎo)出閉合結(jié)構(gòu)核心處超大的應(yīng)變梯度(109/m)以及整個(gè)閉合結(jié)構(gòu)中巨大的長(zhǎng)程彈性應(yīng)變梯度(106/m)；在Landau-Ginsburg-Devonshire理論框架下計(jì)算出閉合結(jié)構(gòu)核心處目前最高量級(jí)彎電常數(shù)(10-10C-1m3)。
該項(xiàng)工作改變了之前探求通量閉合鐵電疇結(jié)構(gòu)的研究思路，進(jìn)一步完善了通過(guò)失配應(yīng)變調(diào)制鐵電材料疇結(jié)構(gòu)和物理特性的重要性和有效性，解決了鐵電領(lǐng)域疇壁組態(tài)方面數(shù)十年來(lái)懸而未決的重大基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，為與鐵磁材料類(lèi)比的結(jié)構(gòu)特性增添了新的實(shí)質(zhì)性?xún)?nèi)容。鐵電材料中通量全閉合結(jié)構(gòu)以及核心處巨大彎電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)將把鐵電薄膜器件的設(shè)計(jì)和研發(fā)推向一個(gè)新的高度，為探索基于鐵電材料的高密度信息存儲(chǔ)器提供了新途徑。同時(shí)，該項(xiàng)工作證實(shí)了巨大的彈性應(yīng)變梯度可以通過(guò)多層膜的形式保存下來(lái)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)物理性能的連續(xù)調(diào)控，為新型梯度功能材料的設(shè)計(jì)提供了新思路。
固體原子像研究部的王宇佳博士以及博士研究生王文淵、許耀斌等人也參與了這項(xiàng)工作。
美國(guó)《科學(xué)》周刊每周從近期被錄用的稿件中遴選出少量幾篇文章并將作者的最終修改稿通過(guò)“Science Express”平臺(tái)提前發(fā)布，以此在第一時(shí)間向讀者提供重大科技進(jìn)展或政策觀點(diǎn)等最新資訊。這些工作將在4～6周后以在線和紙本形式同時(shí)正式發(fā)表在《科學(xué)》周刊上，通常是編輯推薦的最重要的文章。
該項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金以及科技部973計(jì)劃的資助。
該項(xiàng)工作的全文鏈接
圖1、SrTiO3(10nm)/PbTiO3(36nm)/SrTiO3(3nm)/PbTiO3(28nm)/GdScO3多層膜中PbTiO3鐵電層的周期性疇結(jié)構(gòu)。(A)PbTiO3晶體結(jié)構(gòu)示意圖；(B)[100] 方向的結(jié)構(gòu)投影圖；(C)[100]方向攝取的高角環(huán)形暗場(chǎng)像(HAADF)展示離子位移的方向和大小；(D)多層結(jié)構(gòu)的低倍高角環(huán)形暗場(chǎng)像；(E)基于顯微圖像的幾何相位分析，c疇的空間分布成正弦曲線特征
圖2、高分辨率原子序數(shù)Z襯度像。所有單胞中的離子位移矢量組合在一起構(gòu)成具有順時(shí)針和逆時(shí)針特征的兩種通量全閉合結(jié)構(gòu)。這兩種閉合結(jié)構(gòu)在薄膜中交替排列構(gòu)成大尺度的周期性陣列。(A)原始圖像；(B)極化矢量與原始圖像的疊加清晰展示全閉合回路的構(gòu)成
圖3、PbTiO3鐵電體中周期性相錯(cuò)對(duì)的應(yīng)變分析。推導(dǎo)出整個(gè)閉合結(jié)構(gòu)中巨大的長(zhǎng)程彈性應(yīng)變梯度(106/m)
圖4、PbTiO3鐵電體中通量全閉合疇結(jié)構(gòu)核心處應(yīng)變梯度分布分析，計(jì)算出核心處超大的應(yīng)變梯度(109/m)
圖5、在Landau-Ginsburg-Devonshire理論框架下計(jì)算出三個(gè)疇交界處的二維應(yīng)變分布，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出閉合結(jié)構(gòu)核心處目前最高量級(jí)彎電常數(shù)(10-10C-1m3)
圖6、PbTiO3鐵電體中周期性閉合結(jié)構(gòu)的形成規(guī)律。在一定的薄膜厚度范圍內(nèi)，通量全閉合疇結(jié)構(gòu)構(gòu)成的周期性陣列的周期大小與薄膜厚度之間成比值約為
的線性關(guān)系
