2019年10月，浙江大學聯(lián)合美國賓夕法尼亞州立大學課題組在Nature Communications上發(fā)表題為“Manipulating topological transformations of polar structures through real-time observation of the dynamic polarization evolution”的最新研究成果。該研究報道了一種原子級別操縱鐵電渦旋拓撲結(jié)構(gòu)的方法，并對拓撲變換過程所蘊含的物理意義進行了深入探討。

與鐵電鐵磁相關(guān)聯(lián)的拓撲結(jié)構(gòu)為下一代高密度存儲器件重要研究方向之一。在鈣鈦礦氧化物多鐵材料（如PbTiO3/SrTiO3）中，疇結(jié)構(gòu)因其與鐵電性、導電性、磁性等諸多豐富物理特性的緊密關(guān)聯(lián)而具有極高研究價值。課題組利用配備能量單色器的球差矯正掃描透射電子顯微鏡結(jié)合原位電學系統(tǒng)，發(fā)展了具有高調(diào)控自由度的原位實驗方法；在原子級別實現(xiàn)了對鐵電拓撲結(jié)構(gòu)的有效操控與演變的實時，動態(tài)觀測；在電子結(jié)構(gòu)層面揭示了拓撲結(jié)構(gòu)的演變特征；從而厘清了在外加電場作用下的拓撲相變規(guī)律；為高質(zhì)量、高性能鐵電拓撲結(jié)構(gòu)材料的設計提供了有價值的實驗依據(jù)。

圖1. 原子級別實時觀測和原位操控鐵電拓撲結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變

本工作利用PLD生長獲取了原子級別平整的PbTiO3/SrTiO3多層薄膜材料，通過微結(jié)構(gòu)表征與GPA闡明了局域應力對鐵電疇結(jié)構(gòu)規(guī)律性演變的調(diào)控作用。在此基礎上采用非接觸式原位電學方法，在原子級別實時觀測到了鐵電拓撲結(jié)構(gòu)從渦旋態(tài)（vortex）、穩(wěn)定波紋態(tài)（wave），進而到單疇極化狀態(tài)（polar down）的轉(zhuǎn)變過程。在對各演化階段的應力狀態(tài)進行探討的同時，利用原子級分辨的電子能量損失譜表征手段，獲取了不同疇結(jié)構(gòu)的電子結(jié)構(gòu)信息，對可能存在于特定拓撲構(gòu)型的電荷聚集與拓撲演變過程中的電荷轉(zhuǎn)移做出了預測。

圖2. 原子級別的電子能量損失譜表征

該項研究工作由浙江大學張澤院士和田鶴研究員提出設計構(gòu)思，謝燕武研究員開展了薄膜材料制備工作，陳龍慶教授提供模擬與理論解釋支撐，博士生杜凱進行了電子顯微學及原位方面的表征研究。博士生杜凱為論文的第一作者，張澤院士和田鶴研究員為論文的通訊作者。該項研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃和國家重點基礎研究發(fā)展計劃等項目資助。

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https://www.nature.com/articles/s41467-019-12864-5

本文由浙江大學張澤院士團隊田鶴課題組供稿。