中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(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、劉穎博士、王宇佳博士和唐云龍博士等人與美國(guó)科學(xué)家合作，在通量全閉合鐵電疇的周期性陣列及其可控生長(zhǎng)方面取得新進(jìn)展，建立了通量全閉合鐵電疇二維周期性陣列的形成相圖，并獲得了清晰的原子結(jié)構(gòu)圖譜。
拓?fù)淙毕菥哂歇?dú)特的力、電、磁等特性，在電子器件中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。作為一種重要的拓?fù)淙毕荩哂虚]合極化分布的鐵電渦旋疇或通量全閉合疇組態(tài)，在高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中應(yīng)用前景廣闊。由于利用通量全閉合疇結(jié)構(gòu)來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可以避免數(shù)據(jù)之間的相互影響，因此，若能將這種納米疇組態(tài)制備成周期性陣列，將有利于數(shù)據(jù)的尋址。
近來，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的材料界面電子顯微學(xué)研究團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、美國(guó)華盛頓大學(xué)的李江宇教授和美國(guó)圣路易斯大學(xué)李志豪博士等合作，利用像差校正透射電子顯微術(shù)并結(jié)合相場(chǎng)模擬技術(shù)，在二維周期性閉合疇研究方面取得重要進(jìn)展。他們?cè)谘芯繄F(tuán)隊(duì)前期發(fā)現(xiàn)的一維周期性全閉合疇組態(tài) (Science 2015) 的基礎(chǔ)上，通過調(diào)控三維應(yīng)變狀態(tài)，可控制備出二維有序排列的通量全閉合陣列，并通過相場(chǎng)模擬構(gòu)建了可以預(yù)測(cè)二維有序排列的全閉合陣列存在條件的相圖。該項(xiàng)研究成果于2017年11月16日在《納米快報(bào)》(Nano Letters) 期刊在線發(fā)表。
應(yīng)變對(duì)功能氧化物（尤其是對(duì)鐵電材料）的功能特性和微結(jié)構(gòu)具有重大影響。在前期的工作中，該研究團(tuán)隊(duì)通過調(diào)控二維應(yīng)變狀態(tài)（選用提供面內(nèi)兩個(gè)方向上的拉伸應(yīng)變的GdScO3襯底），在PbTiO3/SrTiO3（PTO/STO）薄膜體系中發(fā)現(xiàn)了一維周期性排列的、180 疇壁沿垂直界面方向的豎直全閉合疇（V疇）陣列。這種疇組態(tài)在空間構(gòu)型上具有非對(duì)稱特性。在此工作的基礎(chǔ)上，近來他們依據(jù)四方鐵電體中全閉合疇的巨大向錯(cuò)應(yīng)變特征，設(shè)計(jì)并制備了厚度調(diào)制的PTO/STO多層薄膜。這種多層薄膜不僅面內(nèi)受到襯底的應(yīng)變調(diào)制，而且面外應(yīng)變也得到了有效的調(diào)控，即整個(gè)薄膜處于三維應(yīng)變狀態(tài)。像差校正透射電子顯微分析表明，當(dāng)相鄰PTO層厚度相同時(shí)，180 疇壁沿豎直方向的全閉合疇（V疇）不僅在面內(nèi)成周期性排列，而且在面外也表現(xiàn)出周期性，即形成了二維周期性排列的V疇陣列；當(dāng)相鄰PTO層的厚度比為0.5時(shí)，較厚PTO層中依然出現(xiàn)周期性的V疇陣列，而薄PTO層中則出現(xiàn)規(guī)則排列的180 疇壁沿水平方向的對(duì)稱全閉合疇組態(tài)（H疇），從而得到H疇和V疇交替排列的規(guī)則全閉合疇陣列。
在像差校正電子顯微分析的基礎(chǔ)上，他們通過改變相鄰PTO層的厚度比(thickness ratio) 進(jìn)行相場(chǎng)模擬，從體系彈性能、靜電能、梯度能等能量相互競(jìng)爭(zhēng)的角度建立了體系疇結(jié)構(gòu)隨厚度比演變的相圖?；谙鄨?chǎng)模擬的預(yù)測(cè)結(jié)果得到了該工作中大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。
這一研究成果進(jìn)一步完善了通過應(yīng)變調(diào)控鐵電材料疇結(jié)構(gòu)和物理特性的重要性和有效性，為探索基于鐵電材料的高密度信息存儲(chǔ)提供了新途徑，對(duì)新型納米器件的設(shè)計(jì)和研發(fā)具有重要意義。
該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目以及科技部973計(jì)劃等資助。
圖1、相鄰PTO層的厚度比為1的PTO/STO多層薄膜的像差校正透射電子顯微分析。各PTO層中均出現(xiàn)周期性V疇陣列，且在垂直薄膜方向上也呈現(xiàn)周期性。（a-c）PTO/STO多層膜的低倍TEM 明場(chǎng)像（a），電子衍射譜（b），和高倍HAADF-STEM像（c）；（d-f）是對(duì)圖（c）進(jìn)行幾何相位分析得到的面內(nèi)晶格應(yīng)變（d），面外晶格應(yīng)變（e）以及面內(nèi)晶格旋轉(zhuǎn)（f）二維分布圖。
圖2、相鄰PTO層的厚度比為0.5的PTO/STO多層薄膜的像差校正透射電子顯微分析。較厚的PTO層中出現(xiàn)周期性V疇陣列，而較薄的PTO層中則出現(xiàn)規(guī)則排列的H疇陣列。（a）PTO/STO多層膜的TEM明場(chǎng)像。（b）薄膜的HAADF-STEM像。（c，d）對(duì)圖（b）進(jìn)行幾何相位分析得到的面內(nèi)和面外晶格應(yīng)變二維分布圖。（e，f）對(duì)應(yīng)于圖（b）的面外和面內(nèi)晶格旋轉(zhuǎn)二維分布圖。（g，h）薄的PTO層放大的HAADF-STEM像。
圖3、極化矢量與原始圖像的疊加清晰展示具有對(duì)稱特征的通量全閉合鐵電疇。
圖4、V疇和H疇陣列的示意圖（a-b）和向錯(cuò)應(yīng)變分析（c-f）。（c）豎直和（d）水平全閉合疇結(jié)構(gòu)中晶格應(yīng)變示意圖。（e）相鄰PTO層厚度相同時(shí)，周期性豎直全閉合有利于容納其中的應(yīng)變。（f）相鄰PTO層厚度比為1/2時(shí)，較薄PTO層中形成水平全閉合有利于容納其中的應(yīng)變。
圖5、多層PTO/STO薄膜體系的相場(chǎng)模擬。（a）隨相鄰PTO層中的厚度比變化，PTO中疇結(jié)構(gòu)的相圖。其中包含四個(gè)疇區(qū)域I，II，III，IV分別對(duì)應(yīng)a1/a2疇（A），梯形a疇（T），水平全閉合疇結(jié)構(gòu)（H）以及豎直全閉合疇結(jié)構(gòu)（V）。（b）第二個(gè)轉(zhuǎn)變點(diǎn)附近H疇和T疇之間的能量密度差。（c）第三個(gè)轉(zhuǎn)變點(diǎn)附近V疇和H疇之間的能量密度差。T疇（d，e）和H疇（f，g）的疇組態(tài)及其彈性能量密度分布圖。H疇（h，i）和V疇（j，k）的疇組態(tài)及其彈性能量密度分布圖。
