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    我國學者在鐵電材料中發現周期性半子晶格

    日期 2020-06-30   來源:工程與材料科學部   作者:鄭雁軍 鄧意達  【 】   【打印】   【關閉

    圖. 外延生長在SmScO3襯底上的PbTiO3超薄膜中會聚型半子的面內應變和晶格旋轉信息

      在國家自然科學基金項目(批準號:51671194、51971223、51922100)等資助下,中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心馬秀良研究團隊在鐵電材料中發現半子(Meron,也稱之為麥紉)拓撲疇以及周期性半子晶格。研究成果以“應變氧化物鐵電體中的極化半子晶格(Polar meron lattice in strained oxide ferroelectrics)”為題,于2020年6月1日在《自然·材料》(Nature Materials)上在線發表。論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41563-020-0694-8。

      拓撲疇結構具有拓撲保護性,可使數據得以長時間保存,在非易失性信息存儲方面具有重要應用價值。然而,鐵電材料中的拓撲疇一般包含本體對稱性不允許的連續極化旋轉。如何突破鐵電極化與晶格應變的相互制約,實現極化反轉與晶格應變的有效調控,獲得應用于超高密度信息存儲的結構單元,是當今鐵電材料領域面臨的一個基礎性科學難題。

      最近,該研究團隊在前期應變調控方法的基礎上,通過像差校正電子顯微成像并結合相場模擬,使得半子結構所特有的面外極化與面內極化在同一空間呈現。他們在外延生長鈧酸釤(SmScO3)襯底上的超薄鈦酸鉛(PbTiO3)薄膜(5nm)中不僅發現面內匯聚型和面內發散型半子,而且發現反半子結構,以及半子與反半子組合后發生湮滅所形成的拓撲荷為零的疇結構(如圖)。通過對像差校正顯微圖像中離子位移的定量分析,發現半子和反半子按照一定的規律形成晶格(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。

      該研究進一步完善了通過失配應變調控鐵電材料疇結構的重要性和有效性,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構的準粒子行為,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。




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