Nature：扭曲BaTiO3獨立層中的二維鐵電渦旋圖

一、【科學背景】

納米尺度下的鐵電性一般取決于對在表面或界面上形成的極化束縛電荷和去極化場的補償。在納米鐵電體中發現的復雜極性拓撲結構是由于材料發展均勻極化的內在趨勢與施加在樣品上的電和機械邊界條件之間的微妙平衡。鐵電介質界面是一種模型系統，其中極化卷曲源于開路樣電學邊界條件，以避免極化電荷的積累，通過形成通量閉合疇，在納米級水平上演變成渦狀結構。雖然已知鐵電性與應變（均勻和非均勻）強耦合，但由于可通過實驗實現的應變模式相對較少，因此機械約束對薄膜納米級鐵電性的影響的研究相對較少。最近，J. Santamaria教授帶領的研究團隊在展示了具有控制扭轉角的獨立鐵電鈣鈦礦層的堆疊，以一種由與扭轉相關的側向應變調制決定的方式來定制這些拓撲納米結構。此外還發現極化與應變梯度的撓性電耦合產生了一種特殊的極化渦和反渦模式，為創造二維高密度渦旋晶體提供了機會，從而能夠探索以前未知的物理效應和功能。

二、【創新成果】

近日，來自西班牙馬德里康普頓斯大學的J. Santamaria教授團隊的科研人員在Nature發表了題為“A 2D ferroelectric vortex pattern in twisted BaTiO3 freestanding layers”的論文，該項研究展示了由兩個扭曲的獨立鐵電BaTiO₃（BTO）層之間的界面匹配引起的橫向應變調制設置了一個無法通過外延應變獲得的機械邊界條件，并且在很大程度上可以通過相對旋轉角控制。對稱和反對稱剪切應變的納米級調制分布產生了顯著的旋轉極化紋理，具有交替的順時針和逆時針渦流和反渦流，其分布、間距和大小由扭轉角控制。

圖1 ?扭曲BTO雙層結構的應變和極化調制 ? 2024 Springer Nature

第一性原理模擬表明，這種高度局部化對稱和反對稱剪切的復雜配置伴隨著鐵電渦旋二維調制同時存在，并構成穩定的平衡態。剪切應變梯度與復雜極化織構之間的耦合關系是通過直接的撓曲電效應來調制的。

圖2 ?BTO中鐵電渦旋晶格的DFT模型 ? 2024 Springer Nature

?三、【科學啟迪】

綜上，研究人員發現有可能在扭曲的獨立鐵電層中誘導出非三維鐵電紋理，其驅動力來自于扭曲層之間界面上的耦合，也就是層間有效施加的機械邊界條件。這些耦合作用會在鐵電層中產生較大的應變梯度，進而通過撓曲電效應對均勻極化狀態產生類似渦旋的調制。因此，研究人員發現通過控制扭轉角度，可以在很大程度上調整二維渦旋圖案的周期性。與先前在生長方向受限的鐵電薄膜中發現的鐵電織構不同，本研究的極面圖是二維的，并且通過控制雙層膜的扭轉角度來調節高度，因此，它更適合應用于高密度鐵電存儲器。本研究表明，具有不同鐵電體的層間的鄰近相互作用可能在很大程度上取決于扭轉角，扭曲異質層必將為探索表面物理和化學領域以前未知的現象提供機會。

原文詳情：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06978-6

本文由賽恩斯供稿。