中科院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心馬秀良研究團隊在氧化物鐵電材料中發(fā)現(xiàn)半子(Meron，也有音譯為麥紉)拓?fù)洚犚约爸芷谛园胱泳Ц瘛＿@一發(fā)現(xiàn)是繼通量全閉合(Science 2015)之后，該研究團隊在有關(guān)鐵電材料拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu)方面的又一項重要突破，為與鐵磁材料類比的結(jié)構(gòu)特性再添新的實質(zhì)性內(nèi)容，也為探索基于鐵電材料的高密度信息存儲器件提供了新思路。2020年6月1日，Nature Materials以“Polar meron lattice in strained oxide ferroelectrics”為題在線發(fā)表了該研究成果。該項工作由馬秀良、朱銀蓮、王宇佳、馮燕朋、唐云龍等人共同設(shè)計和完成。
拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu)具有拓?fù)浔Ｗo性，可使數(shù)據(jù)得以長時間保存，在非易失性信息存儲方面具有重要應(yīng)用價值。然而，鐵電材料中的拓?fù)洚犚话愣及倔w對稱性不允許的連續(xù)極化旋轉(zhuǎn)。如何突破鐵電極化與晶格應(yīng)變的相互制約，實現(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的結(jié)構(gòu)單元，是當(dāng)今鐵電材料領(lǐng)域面臨的一個基礎(chǔ)性科學(xué)難題。
該研究團隊經(jīng)過長期的學(xué)術(shù)積累，近年來在解決上述基礎(chǔ)科學(xué)難題方面相繼取得突破。他們曾實施應(yīng)變調(diào)控在鈧酸鹽襯底上構(gòu)筑出一系列超薄的鐵電PbTiO3/SrTiO3多層膜，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，而且觀察到由順時針和逆時針閉合結(jié)構(gòu)交替排列所構(gòu)成的大尺度周期性陣列(Science 2015)。在此基礎(chǔ)上，美國加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家利用同樣的電子顯微學(xué)方法，在相同成分、不同應(yīng)變條件下的PbTiO3/SrTiO3超晶格體系中發(fā)現(xiàn)了鐵電渦旋疇陣列(Nature 2016)；團隊成員唐云龍博士在2017-2019年訪問美國伯克利國家實驗室期間與合作者一道在PbTiO3/SrTiO3超晶格中發(fā)現(xiàn)了電極化斯格明子晶格(Nature 2019)。
半子是拓?fù)浜蔀?1/2的非平面型拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu)。鐵電材料中周期性半子晶格的發(fā)現(xiàn)是該研究團隊在前期應(yīng)變調(diào)控方法的基礎(chǔ)上，通過像差校正電子顯微成像并結(jié)合相場模擬，使得半子結(jié)構(gòu)所特有的面外極化與面內(nèi)極化一同在實空間呈現(xiàn)出來。他們在外延生長在SmScO3襯底上的超薄PbTiO3薄膜（5nm）中不僅發(fā)現(xiàn)面內(nèi)匯聚型和面內(nèi)發(fā)散型半子，而且發(fā)現(xiàn)反半子結(jié)構(gòu)，以及半子與反半子組合后發(fā)生湮滅所形成的拓?fù)浜蔀榱愕漠牻Y(jié)構(gòu)。通過對像差校正顯微圖像中離子位移的定量分析，發(fā)現(xiàn)半子和反半子按照一定的規(guī)律形成晶格(會聚型半子形成8nm 8nm的二維周期性正方晶格)。相場模擬表明形成半子晶格有利于降低體系的彈性能，從而使得包含半子晶格的模型比隨機分布的半子模型能量更低。
該項工作進一步完善了通過失配應(yīng)變調(diào)控鐵電材料拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu)的重要性和有效性，揭示了極化體系中的電偶極子在一定條件下具有類似特殊凝聚結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)粒子行為，對探索基于鐵電材料的高密度非易失性信息存儲器件具有重要意義。同時，新型鐵電拓?fù)洚牭靡栽趯嵖臻g以直觀的形式呈現(xiàn)，這表明具有亞埃尺度分辨能力的像差校正電子顯微術(shù)以及在此基礎(chǔ)上的定量分析是科學(xué)家認(rèn)識物質(zhì)結(jié)構(gòu)和自然規(guī)律的有力手段。
圖1：外延生長在SmScO3襯底上的PbTiO3超薄膜中會聚型半子的面內(nèi)應(yīng)變和晶格旋轉(zhuǎn)信息(a, b, c)；會聚型和發(fā)散型半子交替排列所形成的周期性半子晶格示意圖(d)。
圖2：半子晶格的原子尺度信息。(a)三維展示圖；(b)截面樣的離子位移圖；(c)平面樣的離子位移圖；(d)平面離子位移圖中一個半子的放大圖。
圖3：半子晶格的相場模擬結(jié)果。(a)三維展示圖；(b, c)匯聚型和發(fā)散型半子的截面極化矢量圖；(d)半子和反半子的平面極化矢量圖；(e, f)圖d中兩個半子的三維極化矢量圖。
圖4：隨機半子模型的相場模擬結(jié)果。(a)水平截面圖；(b-e)圖a中四個區(qū)域的極化矢量和拓?fù)涿芏确植紙D；(f-i)這四個拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu)的三維極化矢量圖。
