拓?fù)錁O化結(jié)構(gòu)自身具有拓?fù)浔Ｗo(hù)性，在信息處理、傳輸、存儲(chǔ)等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。然而，鐵電材料中的極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般都包含本體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(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)基礎(chǔ)性科學(xué)難題。
近日，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心馬秀良、朱銀蓮、唐云龍以及博士生宮風(fēng)輝等人在鐵電超晶格中發(fā)現(xiàn)電偶極子波（electric dipole wave, 或稱極化波）。2021年7月9日，《科學(xué) 進(jìn)展》（Science Advances）以“鐵電材料中的周期性極化波”（ Atomic mapping of periodic dipole waves in ferroelectric oxide ）為題在線發(fā)表了該項(xiàng)研究成果。這一結(jié)果是繼通量全閉合疇結(jié)構(gòu)（Science, 2015）和半子晶格（Nature Materials, 2020）的發(fā)現(xiàn)之后，該團(tuán)隊(duì)在有關(guān)鐵電材料拓?fù)洚牻M態(tài)方面的又一項(xiàng)重要研究進(jìn)展，為與鐵磁材料類比的結(jié)構(gòu)特性又增添了新的實(shí)質(zhì)性內(nèi)容，也為探索基于鐵電極化的量子材料及器件的構(gòu)筑提供了新的參考和借鑒。
該團(tuán)隊(duì)在實(shí)現(xiàn)原子層級PbTiO3/SrTiO3超晶格精密沉積的基礎(chǔ)上，利用急冷處理，在PbTiO3鐵電層中發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定存在的周期性電偶極子波；利用以像差校正電子顯微鏡為主的多尺度研究手段，揭示了電偶極子波的極化和應(yīng)變等物理特性。新發(fā)現(xiàn)的電偶極子波是由頭尾相連的電偶極子以類似正弦曲線的形式排布而成，其極化分布特征符合方程y = Asin(2 x/L) + y0。同時(shí)，他們利用相場模擬理論方法構(gòu)建了超晶格體系的應(yīng)變與厚度關(guān)系相圖，確定了電偶極子波存在的相區(qū)，填補(bǔ)了鐵電超晶格體系中應(yīng)變-厚度相圖中關(guān)于電偶極子波這一空白。
該項(xiàng)工作進(jìn)一步完善了鐵電材料中極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的組態(tài)，對設(shè)計(jì)和研發(fā)基于鐵電材料的信息傳輸、處理、存儲(chǔ)等功能的電子器件具有重要的意義。同時(shí)，新型極化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在實(shí)空間的直接展現(xiàn)，再次表明具有亞埃尺度分辨能力的像差校正透射電子顯微術(shù)是科學(xué)家認(rèn)識物質(zhì)結(jié)構(gòu)和自然規(guī)律的有力工具。
圖1：(A, B, C) PbTiO3單胞示意圖與極化方向的判定；(D, E) HAADF-STEM圖像和 ~2 XRD結(jié)構(gòu)和生長質(zhì)量表征；(F) 傅里葉變換；(G, H) 晶格常數(shù)與離子位移信息。
圖2：(A) 一個(gè)PbTiO3/SrTiO3周期的HAADF-STEM圖像；(B, C, D) 電偶極子波的極化分布圖與細(xì)節(jié)圖；(E) 一個(gè)電偶極子波的示意圖。
圖3：(A) 一個(gè)PbTiO3/SrTiO3周期的極化分布圖像；(B, C) 電偶極子波的正弦函數(shù)關(guān)系曲線擬合。
圖4：(A, B, C, D) 不同應(yīng)變條件下一個(gè)PbTiO3/SrTiO3周期的極化波極化分布圖；(E) 極化波的相場模擬圖；(F) PbTiO3/SrTiO3超晶格的應(yīng)變-厚度相圖。
