【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心馬秀良團隊在氧化物鐵電材料中發(fā)現(xiàn)半子(Meron，也有音譯為麥紉)拓撲疇以及周期性半子晶格。這一發(fā)現(xiàn)是繼通量全閉合(Science 2015)之后，該研究團隊在有關(guān)鐵電材料拓撲疇結(jié)構(gòu)方面的又一項重要突破，為與鐵磁材料類比的結(jié)構(gòu)特性再添新的實質(zhì)性內(nèi)容，也為探索基于鐵電材料的高密度信息存儲器件提供了新思路。
 

　　鐵電材料是指具有鐵電效應(yīng)的一類材料，它是熱釋電材料的一個分支。鐵電材料及其應(yīng)用研究已成為凝聚態(tài)物理、固體電子學(xué)領(lǐng)域熱門的研究課題之一。晶體，其原因在于他們具有相當(dāng)優(yōu)異的性能。許多電光晶體、壓電材料就是鐵電晶體。鐵電晶體無論在技術(shù)上或理論上都具有重要的意義。
 

　　拓撲疇結(jié)構(gòu)具有拓撲保護性，可使數(shù)據(jù)得以長時間保存，在非易失性信息存儲方面具有重要應(yīng)用價值。然而，鐵電材料中的拓撲疇一般都包含本體對稱性不允許的連續(xù)極化旋轉(zhuǎn)。如何突破鐵電極化與晶格應(yīng)變的相互制約，實現(xiàn)極化反轉(zhuǎn)與晶格應(yīng)變的有效調(diào)控，獲得有望用于超高密度信息存儲的結(jié)構(gòu)單元，是當(dāng)今鐵電材料領(lǐng)域面臨的一個基礎(chǔ)性科學(xué)難題。
 

　　所有的鐵電材料都同時具備鐵電性和壓電性。鐵電性是指在一定溫度范圍內(nèi)材料會產(chǎn)生自發(fā)極化。由于鐵電體晶格中的正負電荷中心不重合，因此即使沒有外加電場，也能產(chǎn)生電偶極矩，并且其自發(fā)極化可以在外電場作用下改變方向 [4] 。當(dāng)溫度高于某一臨界值時，其晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，正負電荷中心重合，自發(fā)極化消失，這一溫度臨界值稱為居里溫度(Tc)。壓電性是實現(xiàn)機械能-電能相互轉(zhuǎn)換的一種性質(zhì)。若在某一方向上給材料施加外力使材料發(fā)生形變，其內(nèi)部會發(fā)生極化并在表面產(chǎn)生電荷，這就是壓電效應(yīng)；相反，若給材料施加電場則材料會發(fā)生形變而產(chǎn)生機械力，這就是逆壓電效應(yīng)。所有的鐵電材料都具備上述2種特性，這是構(gòu)建機電系統(tǒng)的材料基礎(chǔ)之一。
 

　　該研究團隊經(jīng)過長期的學(xué)術(shù)積累，近年來在解決上述基礎(chǔ)科學(xué)難題方面相繼取得突破。他們曾實施應(yīng)變調(diào)控在鈧酸鹽襯底上構(gòu)筑出一系列超薄的鐵電PbTiO3/SrTiO3多層膜，利用具有原子尺度分辨能力的像差校正電子顯微術(shù)，不僅發(fā)現(xiàn)通量全閉合疇結(jié)構(gòu)及其新奇的原子構(gòu)型圖譜，而且觀察到由順時針和逆時針閉合結(jié)構(gòu)交替排列所構(gòu)成的大尺度周期性陣列(Science 2015)。在此基礎(chǔ)上，美國加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家利用同樣的電子顯微學(xué)方法，在相同成分、不同應(yīng)變條件下的PbTiO3/SrTiO3超晶格體系中發(fā)現(xiàn)了鐵電渦旋疇陣列(Nature 2016)；團隊成員唐云龍在2017-2019年訪問美國伯克利國家實驗室期間與合作者一道在PbTiO3/SrTiO3超晶格中發(fā)現(xiàn)了電極化斯格明子晶格(Nature 2019)。
 

　　半子是拓撲荷為±1/2的非平面型拓撲疇結(jié)構(gòu)。鐵電材料中周期性半子晶格的發(fā)現(xiàn)是該研究團隊在前期應(yīng)變調(diào)控方法的基礎(chǔ)上，通過像差校正電子顯微成像并結(jié)合相場模擬，使得半子結(jié)構(gòu)所特有的面外極化與面內(nèi)極化一同在實空間呈現(xiàn)出來。他們在外延生長在SmScO3襯底上的超薄PbTiO3薄膜(5nm)中不僅發(fā)現(xiàn)面內(nèi)匯聚型和面內(nèi)發(fā)散型半子，而且發(fā)現(xiàn)反半子結(jié)構(gòu)，以及半子與反半子組合后發(fā)生湮滅所形成的拓撲荷為零的疇結(jié)構(gòu)。通過對像差校正顯微圖像中離子位移的定量分析，發(fā)現(xiàn)半子和反半子按照一定的規(guī)律形成晶格(會聚型半子形成8nm×8nm的二維周期性正方晶格)。相場模擬表明形成半子晶格有利于降低體系的彈性能，從而使得包含半子晶格的模型比隨機分布的半子模型能量更低。
 

　　準粒子是一種量子能，它存在于一個晶體點陣或其它相互作用的粒子系統(tǒng)中。在凝聚態(tài)物理中，引入這樣一個“準粒子”的概念非常重要。
 

　　準粒子的概念，是Landau在他的流體量子理論中首先引入的，這是固體量子理論的重要概念，已逐漸發(fā)展為元激發(fā)物理。
 

　　準粒子的概念起源于對固體物理的研究。在固體物理中，由于各原子間相互作用很強，直接從原子系統(tǒng)出發(fā)應(yīng)用獨立粒子統(tǒng)計法求解系統(tǒng)的熱力學(xué)量是非常困難的。如果把固體中N個原子的3N個振動自由度變換成3N個近獨立的簡正振動，并把簡正振動的激發(fā)量子看成一種“準粒子”——聲子，這樣就把有強相互作用的原子系統(tǒng)簡化成“準粒子”系統(tǒng)(有時稱“準粒子”理想氣體)，使問題大為簡化，這里就給出并動用了“準粒子”的概念。
 

　　該項工作進一步完善了通過失配應(yīng)變調(diào)控鐵電材料拓撲疇結(jié)構(gòu)的重要性和有效性，揭示了極化體系中的電偶極子在一定條件下具有類似特殊凝聚結(jié)構(gòu)的準粒子行為，對探索基于鐵電材料的高密度非易失性信息存儲器件具有重要意義。同時，新型鐵電拓撲疇得以在實空間以直觀的形式呈現(xiàn)，這表明具有亞埃尺度分辨能力的像差校正電子顯微術(shù)以及在此基礎(chǔ)上的定量分析是科學(xué)家認識物質(zhì)結(jié)構(gòu)和自然規(guī)律的有力手段。
 

　　資料來源：百科、金屬研究所