中科院物理所白雪冬團隊Nature Commun.: 發展原位電鏡儀器技術，助推科研創新，在原子分辨下調控鐵電渦旋疇相轉變

【引言】

鐵電渦旋疇是極化連續旋轉形成的鐵電拓撲結構，在電子信息領域具有潛在的應用價值。單個渦旋疇的尺寸為幾個納米，有望大大提高信息存儲密度。未來實際器件應用，如何在外場激勵下操縱這類結構的拓撲狀態是至關重要的。因此，研究渦旋疇在外場作用下的動力學過程具有重要意義。

由于鐵電渦旋疇尺寸小，以往的常規實驗手段難以實現對其操控與觀測表征。中科院物理研究所白雪冬團隊在過去二十年時間里，研發透射電鏡中的掃描探針技術，原位實現對小尺度材料的操縱、物性測量與結構表征功能，直接揭示物性與原子結構關系以及外場調控規律。他們利用自主研發的原位電鏡儀器技術，取得了一系列科研進展 (Nano Lett. 3, 1147 (2003), APL 88, 133107 (2006), JACS 132, 4197 (2010), Adv. Mater. 26, 3649 (2014), Angew. Chem. Int. Ed. 54, 15222( 2015), Sci. Bull. 63, 1208 (2018)，PRL 124, 056002 (2020)等)。近幾年該課題組將掃描探針技術的穩定性和測量精度進一步提高，結合球差矯正電鏡的原子分辨能力，實現了外場調控下原子分辨的物理和化學動態過程的觀測表征。

【成果簡介】

最近，中科院物理所白雪冬研究員與北京大學高鵬教授、湘潭大學譚叢兵教授和美國賓州州立大學陳龍慶教授等人合作，在鐵電渦旋疇力學調控研究方面取得新進展，他們利用原位球差矯正電鏡實時原子成像技術和相場模擬方法，揭示了渦旋疇在外力作用下的相轉變規律。該成果以題為“Atomic Imaging of Mechanically Induced Topological Transition of Ferroelectric Vortices”發表在雜志Nature Communications上。

該工作研究了PbTiO₃/SrTiO₃超晶格中鐵電渦旋疇的結構特征及其力學調控過程，通過掃描探針施加局部應力操縱渦旋疇，發現渦旋疇向面內a疇轉變，并在應力消除后自發恢復。定量表征渦旋疇轉變力僅為3 μN，小于一般鐵電疇轉變所需要的力，相場模擬結果與實驗過程吻合。研究結果還表明，撓曲電效應不是渦旋疇轉變的驅動力，而是使轉變后a疇取向一致的原因。

【圖文導讀】

圖1. PbTiO₃/SrTiO₃超晶格中渦旋疇的結構特征

圖2. 渦旋疇在外力作用下的轉變過程

圖3. 渦旋疇力學轉變過程中的結構變化

圖4. 渦旋疇力學轉變和自發恢復過程

【總結】

這個工作通過自主研發高穩定性、高精度的原位透射電鏡表征方法和測量技術，在原子分辨下操縱和觀測表征鐵電渦旋疇在力場下的變化過程，發現渦旋疇與面內疇相互轉變的動力學規律。該研究提出了一種調控鐵電渦旋疇的物理方法，是理解納米尺度晶格-電荷相互作用的有意義的探索，對促進鐵電拓撲結構的基礎研究以及電子學器件應用具有積極作用。

文獻鏈接：Atomic Imaging of Mechanically Induced Topological Transition of Ferroelectric Vortices. Nature Communications, 2020, 11, 1840, https://doi.org/10.1038/s41467-020-15616-y