【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】磁電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因其獨(dú)特的穩(wěn)定性和可操控性，在新一代信息存儲(chǔ)和邏輯器件中展現(xiàn)出重要應(yīng)用前景。在鐵電材料中，近年來(lái)相繼發(fā)現(xiàn)了通量全閉合(2015)、渦旋(2016)、斯格明子(2019)、半子(2020)、布洛赫點(diǎn)(2024)和多階徑向渦旋(2025)等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然而，現(xiàn)有極性拓?fù)鋺B(tài)多局限于有限的構(gòu)型自由度，其在多態(tài)信息存儲(chǔ)方面的潛力仍有待進(jìn)一步挖掘。
 

　　近日，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所和松山湖材料實(shí)驗(yàn)室等單位的科研人員組成的研究團(tuán)隊(duì)在鐵電材料中發(fā)現(xiàn)了一類全新的三維極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)—極性手性浮子(polar chiral bobber)，并系統(tǒng)揭示了其多態(tài)穩(wěn)定性及可控調(diào)控機(jī)制。相關(guān)研究成果以 “Multistate Polar Chiral Bobbers in Oxide Ferroelectrics” 為題，于1月30日在《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)期刊上發(fā)表。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合相場(chǎng)模擬與像差校正透射電子顯微學(xué)等手段，在(111)取向的超薄 PbTiO3鐵電薄膜中預(yù)測(cè)并實(shí)驗(yàn)證實(shí)了極性手性浮子的存在。該結(jié)構(gòu)是一種三維極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征為一個(gè)面外極化與周圍相反的納米疇，起始于薄膜表面終止于薄膜內(nèi)部的布洛赫點(diǎn)，同時(shí)在其周圍形成面內(nèi)渦旋態(tài)，呈現(xiàn)出類似磁性體系中“浮子”結(jié)構(gòu)的三維極化特征。面內(nèi)渦旋與面外極化的組合使極性浮子表現(xiàn)出手性。
 

　　進(jìn)一步研究表明，單個(gè)極性浮子可表現(xiàn)出八種不同的拓?fù)鋺B(tài)，其差異來(lái)源于面內(nèi)極化旋向(順時(shí)針/逆時(shí)針)、面外極化方向(向上/向下)以及其位于薄膜中的位置(上表面/下表面)的不同構(gòu)型組合。所有八種態(tài)在相同外界條件下均表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，突破了傳統(tǒng)鐵電存儲(chǔ)中二進(jìn)制(0/1)編碼的限制，為實(shí)現(xiàn)高密度、多態(tài)非易失性存儲(chǔ)提供了新的物理載體。相場(chǎng)模擬還揭示了極性浮子的形成機(jī)制：該結(jié)構(gòu)在外延應(yīng)變和電邊界條件約束下經(jīng)多種變體疇協(xié)同競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生，并在體系靜電驅(qū)動(dòng)力作用下穩(wěn)定。計(jì)算還表明，不同極化浮子態(tài)之間可在外電場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)可逆的低能切換，顯示出良好的器件應(yīng)用潛力。
 

　　該研究不僅拓展了鐵電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三維形態(tài)譜系，也在鐵電材料中系統(tǒng)展示了具備多態(tài)編碼能力的拓?fù)浠瑸樾滦碗娮悠骷?yīng)用提供了重要的物理基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)思路。同時(shí)，該工作也進(jìn)一步體現(xiàn)了取向工程、應(yīng)變調(diào)控以及原子級(jí)分辨電子顯微學(xué)在發(fā)現(xiàn)和理解新型鐵電拓?fù)鋺B(tài)中的關(guān)鍵作用。
 

　　金屬所郭相偉博士(現(xiàn)美國(guó)密歇根大學(xué)博士后)和松山湖材料實(shí)驗(yàn)室鄒敏杰副研究員為論文共同第一作者，金屬所王宇佳研究員和中國(guó)科學(xué)院物理研究所/松山湖材料實(shí)驗(yàn)室馬秀良研究員為論文通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、興遼英才計(jì)劃、廣東省量子科學(xué)戰(zhàn)略專項(xiàng)、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金等項(xiàng)目的支持。
 

　　圖1. 相場(chǎng)模擬預(yù)測(cè)(111)取向鐵電PbTiO3超薄薄膜中出現(xiàn)極性手性浮子并揭示極化特征
 

圖2. 極性手性浮子形成的能量驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析
 

圖3. 極性手性浮子的極化結(jié)構(gòu)的像差校正透射電子顯微學(xué)解析
 

圖4. 多態(tài)極性手性浮子及其在多態(tài)信息存儲(chǔ)器中的應(yīng)用示意圖
 

圖5. 電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)不同極性手性浮子拓?fù)鋺B(tài)的可逆切換