科研进展丨铁电材料中发现极化布洛赫点

2024-05-14
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布洛赫点是矢量场中的奇点,其周围的矢量朝向空间中的各个方向。早在20世纪60年代,就有学者在磁性材料中预测磁化布洛赫点的存在。它们在涡旋的翻转、斯格明子的形成与湮灭等过程中扮演了重要的角色,是联系经典磁学和量子磁学之间的桥梁。在磁性材料中直接观察到磁化布洛赫点是一件非常困难的事情;而在铁电材料中,仅有少数理论工作预测极化布洛赫点会在特定条件下出现。

近日,松山湖材料实验室大湾区显微科学与技术研究中心和中国科学院金属研究所等单位的科研人员组成的研究团队在铁电材料中发现极化布洛赫点(Bloch point)。这一发现是继通量全闭合阵列(Science 2015)、半子晶格(Nature Materials 2020)、周期性电偶极子波(Science Advances 2021)之后,该研究团队在有关铁电材料拓扑畴结构方面的又一项重要突破,丰富了极化拓扑畴结构家族,也为探索基于铁电材料的高密度信息存储器件提供了新思路。2024年5月10日,Nature Communications以“Polar Bloch points in strained ferroelectric films”为题在线发表了该研究成果。

该研究团队在前期半子晶格工作(Nature Materials 2020)的基础上,利用相场模拟构建对称电极模型,发现随着电极厚度的增加,汇聚和发散型半子分别演化成两种类型的布洛赫点:其一是面内汇聚且面外发散,其二是面内发散且面外汇聚,如图1所示。其次,他们利用脉冲激光沉积技术在SmScO3衬底上生长由SrRuO3电极夹持的超薄PbTiO3薄膜(5nm),并通过像差校正透射电子显微镜对平面样和截面样进行观察,在PbTiO3薄膜中观察到了面内面外呈发散和汇聚特征的极化布洛赫点,如图2所示。进一步相场模拟表明:布洛赫点处的极化为0,其周围会出现负电容的区域(图3),这为新型低功耗电子器件的设计提供了新思路。

该项工作进一步完善了通过失配应变调控铁电材料畴结构的重要性和有效性,揭示了极化体系中的电偶极子在一定条件下可以形成类似特殊凝聚结构的准粒子,对探索基于铁电材料的高密度非易失性信息存储器件具有重要意义。同时,新型铁电拓扑畴得以在实空间以直观的形式呈现,这表明具有亚埃尺度分辨能力的像差校正电子显微术以及在此基础上的定量分析是科学家认识物质结构和自然规律的有力手段。

该项工作由松山湖材料实验室、中国科学院金属研究所、中国科学院物理研究所、粤港澳大湾区量子科学中心等单位共同完成,松山湖材料实验室大湾区显微科学与技术研究中心的冯燕朋副研究员和中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心的王宇佳研究员为本文的共同第一作者,松山湖材料实验室大湾区显微科学与技术研究中心的马秀良研究员为本文通讯作者,该研究工作得到了国家自然科学基金、中科院青年创新促进会、广东省基础与应用基础研究基金、广东省量子专项基金等项目的支持。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-024-48216-1

图1:相场模拟预测上电极厚度的变化导致半子向布洛赫点转变(a-e);(f, g)两种布洛赫点的局域极化结构;(h)布洛赫点的位置随电极厚度的变化;(i, j)不同电极厚度的薄膜中的应力分布,表明弹性驱动力是导致半子向布洛赫点转变的主要原因。

 

图2:SmScO3衬底上SrRuO3/PbTiO3/SrRuO3三层薄膜的截面样(b-d)和平面样(e, f)的像差校正透射电镜图像,展示了极化布洛赫点的原子尺度极化构型。

图3:极化布洛赫点的负电容效应的相场模拟结果。(a)负电容区域(绿色)和布洛赫点(红色)的分布;(b-f)布洛赫点的极化构型图和电场分布图;(g, h)穿过布洛赫点的极化、电场、介电常数分布曲线。

 

 

撰稿:大湾区显微科学与技术研究中心