PRL:：PbTiO3/SrTiO3多層膜中不同偶極構型的拓撲缺陷研究

【引言】

?拓撲結構和缺陷在二十世紀七十年代曾經于有序介質中被研究過，目前引起了鐵電和磁性材料領域的研究人員的極大關注。由于其自由度分別是電偶極子和自旋，因而這些材料中的拓撲結構和缺陷通常包含不同類型的疇壁（DW）以及電偶極子或磁性自旋的其他構型。與最近越來越多的有關磁滑動體的制備和表征的實驗報告相比，關于鐵電體中偶極子復雜又獨特構型的實驗表征是極其有限的。

【成果簡介】

?西安交通大學賈春林和美國阿肯色大學Laurent Bellaiche等人報道了PTO/STO外延多層膜中電偶極子獨特構型的拓撲缺陷。他們通過定量高分辨率掃描透射電子顯微學技術，基于原子分辨率高角度環形暗場（HAADF）圖像確定了原子位置，從而在多層PbTiO₃/SrTiO3膜的PbTiO₃層中揭示了納米電拓撲缺陷的新穎結構，包括電偶極子波，偶極子向錯和其他電拓撲缺陷。這些拓撲缺陷結構也通過原子尺度數值模擬來重現，證實并解釋了這些電拓撲缺陷的存在和性質。該研究發表于Physical Review Letters，題為“Topological Defects with Distinct Dipole Configurations in PbTiO₃/SrTiO₃ Multilayer Films”，第一作者為西安交通大學路璐。

?【圖文導讀】

圖1.HAADF圖像與晶胞偶極子的矢量圖

（a）STO基底上超晶格膜的[100] HAADF圖像。插圖顯示了界面的放大部分和原子細節。

（b）由（a）中顯示的圖像確定的晶胞偶極子的矢量圖，揭示了具有明顯模量值的偶極子出現在PTO層（黃色區域）中。藍色半圓表示偶極子的相似排列構型。紅色框標記具有特殊偶極子排列構型的位置，這些構型被放大并示于圖2和圖3中。

圖2. A/B局域放大圖與數值模擬

（a）圖1（b）中A部分的放大圖，示出了具有雙曲線形狀（粉紅-綠色區域）的極化域和具有特征為外流漩渦（紅色彎曲箭頭）的偶極子渦流。紅色的橢圓表示一個閉合小渦流，其中面內偶極矩相對較小。（b）圖1（b）中B部分的放大圖，展示出PTO膜層中的偶極子波的細節。藍色的小圓圈表示與偶極子波相關的氣泡。（c）PTO薄膜在-0.6％壓縮應變下，數值模擬平衡偶極子波顯示出與（b）中實驗觀察的一致性。

圖3. C局域放大圖與數值模擬向錯

（a）圖1（b）中C部分的放大圖，顯示180°偶極子向錯。（b）在-0.6％壓縮應變的PTO薄膜中，數值模擬向錯與（a）中的實驗觀察結果非常吻合，同系統基態相比，該向錯在能量上是亞穩的。

圖4. 第一個PTO薄膜層中偶極的不同構型

在三個規則的雙曲線區域（粉紅-綠色區域）之間，顯示了相同的極化方向，其中包括一個小的中心部分（綠色的小橢圓），偶極子的行為隨周圍環境變化。

?【小結】

?該研究已觀察到外延STO/PTO多層膜中的偶極子排列構型，同時在實驗上首次發現了納米電偶極子波、偶極子向錯和其他不同的構型。他們進一步進行的原子模擬證實并解釋了這些偶極子構型的存在。盡管拓撲結構和缺陷已經在有序介質理論上被研究過，該成果預計會進一步加速對鐵電體中電偶極子的復雜結構和相關性質的實驗和理論研究。

文獻鏈接：Topological Defects with Distinct Dipole Configurations in PbTiO₃/SrTiO₃ Multilayer Films (Physical Review Letters 2018, DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.177601)

關于團隊信息，請參考團隊網站：http://jia-lab.xjtu.edu.cn。

本文由材料人計算材料組Annay供稿，材料牛整理編輯。

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