【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】鐵電材料中，疇界作為分隔不同極化取向區(qū)域的關(guān)鍵界面，其結(jié)構(gòu)直接影響材料的電導(dǎo)率、電磁耦合等功能特性。傳統(tǒng)鐵電材料中的疇界多呈現(xiàn)頭-尾排列的電中性構(gòu)型，以盡可能降低靜電能。然而，近年來在單質(zhì)鉍(Bi)單層二維鐵電材料中發(fā)現(xiàn)的本征穩(wěn)定180°帶電疇界，突破了這一傳統(tǒng)認知，為鐵電疇界的基礎(chǔ)研究與功能器件應(yīng)用開辟了新方向。由于二維鉍烯中電子型極化較弱，其疇界能主要由應(yīng)變能主導(dǎo)，而非傳統(tǒng)鐵電材料中的靜電能，這使得180°帶電疇界成為該體系中最穩(wěn)定的疇界構(gòu)型。在此背景下，理解并調(diào)控此類帶電疇界在有限溫度下的動態(tài)行為及其所形成的拓撲疇結(jié)構(gòu)，已成為實現(xiàn)其功能化應(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
 

　　針對上述問題，西安交通大學(xué)材料學(xué)院強度室鄧俊楷教授與澳大利亞墨爾本大學(xué)劉哲教授合作，通過深度勢能分子動力學(xué)(DeePMD)模擬，在單質(zhì)Bi烯二維材料中首次發(fā)現(xiàn)了一種由“疇對”交織構(gòu)成的新型鐵電拓撲疇結(jié)構(gòu)，并進一步探究了其在機械載荷下的拓撲魯棒性和疇界演化行為。研究團隊通過精確調(diào)控模擬條件，探索了有限溫度下四種典型疇界(帶電/中性90°與180°疇界)的熱力學(xué)與動力學(xué)特征(圖1)，并揭示了180°帶電疇界獨特的Shuffle型極化翻轉(zhuǎn)機制(90°疇界為傳統(tǒng)的成鍵-斷鍵機制)。
 

圖1  有限溫度下四種典型疇界的動力學(xué)特性
 

　　進一步通過高溫退火模擬，團隊發(fā)現(xiàn)了Bi烯具有獨特的“疇對交織”的棋盤狀拓撲疇結(jié)構(gòu)(一組極化相反鐵電疇稱為一個“疇對”)。其中，180°帶電疇界決定了兩組正交鐵電疇對的形成，而90°疇界則為不同疇對之間的轉(zhuǎn)變提供了媒介(圖2)。此外，研究中觀察到的四種不同方向鐵電疇交匯處形成的渦旋拓撲疇結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的拓撲穩(wěn)定性。本項研究首次在單質(zhì)二維鐵電體中揭示了由帶電疇界主導(dǎo)的拓撲疇結(jié)構(gòu)及其動態(tài)演化規(guī)律，為理解與設(shè)計新型鐵電拓撲材料提供了全新的理論基礎(chǔ)與實現(xiàn)路徑，有望在高密度數(shù)據(jù)存儲、神經(jīng)形態(tài)計算、量子器件及柔性電子等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。
 

圖2  棋盤狀多疇結(jié)構(gòu)的形成
 

　　本項研究成果近期以《單質(zhì)二維鉍烯中疇對交織的拓撲疇結(jié)構(gòu)》(Domain-Pair Intertwined Topological Domain Structures in Elemental Bi Monolayer)為題發(fā)表于物理學(xué)權(quán)威期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)。西安交通大學(xué)金屬材料強度全國重點實驗室為本論文第一完成單位，材料學(xué)院博士生洪云飛為論文第一作者，鄧俊楷教授和墨爾本大學(xué)劉哲教授為共同通訊作者。本項研究得到了國家自然科學(xué)基金面上項目、陜西省重點研發(fā)計劃等資助。研究也得到西安交通大學(xué)校級高性能計算平臺提供的算力和技術(shù)支持。