浙江大學Nature Communications:鐵電拓撲結構的原位調控成果

2019年10月，浙江大學聯合美國賓夕法尼亞州立大學課題組在Nature Communications上發表題為“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構的方法，并對拓撲變換過程所蘊含的物理意義進行了深入探討。

與鐵電鐵磁相關聯的拓撲結構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，疇結構因其與鐵電性、導電性、磁性等諸多豐富物理特性的緊密關聯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合原位電學系統，發展了具有高調控自由度的原位實驗方法；在原子級別實現了對鐵電拓撲結構的有效操控與演變的實時，動態觀測；在電子結構層面揭示了拓撲結構的演變特征；從而厘清了在外加電場作用下的拓撲相變規律；為高質量、高性能鐵電拓撲結構材料的設計提供了有價值的實驗依據。

?圖1. 原子級別實時觀測和原位操控鐵電拓撲結構的轉變

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，通過微結構表征與GPA闡明了局域應力對鐵電疇結構規律性演變的調控作用。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構從渦旋態（vortex）、穩定波紋態（wave），進而到單疇極化狀態（polar down）的轉變過程。在對各演化階段的應力狀態進行探討的同時，利用原子級分辨的電子能量損失譜表征手段，獲取了不同疇結構的電子結構信息，對可能存在于特定拓撲構型的電荷聚集與拓撲演變過程中的電荷轉移做出了預測。

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、國家重點研發計劃和國家重點基礎研究發展計劃等項目資助。（文章鏈接：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。

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