近些年來先后在理論和實驗上發(fā)現(xiàn)了鐵電材料中可以形成尺寸低至幾個納米的極性拓撲結(jié)構(gòu)，如通量閉合疇、渦旋疇和斯格明子等，由于極性拓撲疇結(jié)構(gòu)具有拓撲保護性，而且尺寸小，引起了探索新一代非易失性超高密度信息存儲器件的極大興趣。實際器件操作大多是基于外場對結(jié)構(gòu)單元極化態(tài)和拓撲相變的調(diào)控，研究單個鐵電疇結(jié)構(gòu)的極化分布以及外場操控下拓撲相變動力學(xué)過程是器件應(yīng)用的基礎(chǔ)。然而，極性拓撲結(jié)構(gòu)的形成是體系中靜電能、彈性能和梯度能之間在微小差別內(nèi)相互競爭平衡的結(jié)果，如何實現(xiàn)局域外場對微區(qū)結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控以及相變過程的精細表征是一個非常大的挑戰(zhàn)。

中科院物理所通過發(fā)展透射電鏡中的掃描探針技術(shù)，自主研制出具有原子級分辨的原位綜合物性測量與調(diào)控裝置，最近，與北京大學(xué)、湘潭大學(xué)、浙江大學(xué)、美國賓州州立大學(xué)等單位合作，系統(tǒng)地研究了PbTiO3/SrTiO3超晶格中極性拓撲疇結(jié)構(gòu)在外場下的動力學(xué)過程，測量了亞單胞尺度下極性拓撲疇的極化分布，利用原位電鏡電、力局域場方法實現(xiàn)了對單個極性通量閉合疇和渦旋疇的操控，并借助相場模擬揭示其背后的物理機制。相關(guān)成果分別發(fā)表在PNAS、Nature Communications和Science Advances上，中科院物理所博士研究生李曉梅、陳潘，北京大學(xué)博士研究生孫元偉、Adeel.Y. Abid, 湘潭大學(xué)譚叢兵博士，浙江大學(xué)博士研究生劉暢為這些論文的（共同）第一作者，詳見：

Atomic-scale observations of electrical and mechanical manipulation of topological polar flux-closure, PNAS (2020). DOI：10.1073/pnas.2007248117

Atomic imaging of mechanically induced topological transition of ferroelectric vortices. Nature Commun. 11, 1840 (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-15616-y

Subunit cell-level measurement of polarization in an individual polar vortex. Science Advances 5, 4355 (2019). DOI: 10.1126/sciadv.aav4355

01

成果1：鐵電通量閉合疇拓撲結(jié)構(gòu)相變的表征與操控

利用高分辨原位透射電子顯微鏡技術(shù)，在原子尺度上觀測到PbTiO3/SrTiO3超晶格薄膜中的鐵電通量閉合疇結(jié)構(gòu)（flux-closure）（圖1）在外電場和應(yīng)力場下極化變化的完整過程，通過調(diào)控掃描針尖原位施加局域電場/應(yīng)力場，實現(xiàn)了該結(jié)構(gòu)在拓撲極化和普通鐵電相之間的可逆轉(zhuǎn)換。相場模擬方法計算出相變過程中幾種能量的演變與相互競爭平衡關(guān)系，揭示了外場調(diào)控極性拓撲相變的物理機制。

圖1. PTO/STO超晶格中的通量閉合疇結(jié)構(gòu) 在外電場下(圖2)，通過疇壁的移動實現(xiàn)了通量閉合核的橫向移動，極化方向與外電場一致的c疇逐漸變大，而極化方向與外電場方向相反的c疇逐漸減小至消失，伴隨著180°疇壁和通量閉合核的消失，形成中間態(tài)的a/c疇結(jié)構(gòu)，進一步增大電場可以獲得單一的c疇。

圖2. 通量閉合疇結(jié)構(gòu)在外電場下的演化過程 在外應(yīng)力場下(圖3)，垂直于界面的壓縮應(yīng)力導(dǎo)致了通量閉合結(jié)構(gòu)中c疇的收縮和a疇的增大伴隨著通量閉合核沿180°疇壁向界面的移動，當通量閉合核移動到界面并消失則變?yōu)橹虚g態(tài)a/c疇，進一步增大應(yīng)力則可以獲得單一的a疇。以上演化過程為完全可逆的，當撤掉外界刺激后則恢復(fù)到初始的通量閉合疇結(jié)構(gòu)。

圖3. 通量閉合疇結(jié)構(gòu)在外應(yīng)力場下的演化過程 相場模擬結(jié)果可以完全再現(xiàn)實驗過程(圖4)，獲得相變過程中不同能量的演化及其相互競爭的變化關(guān)系，揭示了鐵電通量閉合疇外場調(diào)控的物理原理。

圖4. 極性通量閉合結(jié)構(gòu)相變的相場模擬結(jié)果 02

成果2：鐵電渦旋疇拓撲結(jié)構(gòu)及其相變的表征與操控

利用球差校正電鏡integrated differential phase contrast (iDPC)成像技術(shù)揭示了單個極性拓撲渦旋疇的原子結(jié)構(gòu)，并且精確測量出其極化強度不均勻分布特征（圖5）。在亞單胞尺度上測量研究發(fā)現(xiàn)，PbO面和TiO2面對極化的貢獻是高度不均勻的（圖6），其中具有部分共價鍵特征的Pb-O鍵是不均勻極化的主要來源。

圖5. 超晶格中單個鐵電渦旋疇結(jié)構(gòu)的鐵電極化強度分布的精確測量

圖6. 亞單胞級極化分布的PbO面和TiO2面的極化貢獻 利用探針局域作用對渦旋疇施加壓力驅(qū)動渦旋疇轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ㄨF電疇。暗場像下，渦旋疇顆粒狀的襯度逐漸轉(zhuǎn)變成均勻的襯度，說明渦旋疇在外力作用下發(fā)生了相轉(zhuǎn)變。定量測量力的大小，發(fā)現(xiàn)渦旋疇轉(zhuǎn)變所需的力僅為3 μN，小于一般鐵電疇轉(zhuǎn)變所需要的力。

圖7. 極性渦旋疇在外力作用下轉(zhuǎn)變的暗場像 選區(qū)電子衍射顯示轉(zhuǎn)變過程伴隨著結(jié)構(gòu)的變化。隨著外力的增加，面內(nèi)方向?qū)儆跍u旋疇長程周期的衍射斑逐漸變暗消失，而面外方向?qū)儆诔Ц竦难苌浒咭恢贝嬖?，說明渦旋疇發(fā)生了轉(zhuǎn)變。通過電子衍射表征出該過程晶格常數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)面外方向晶格常數(shù)減小，導(dǎo)致了c/a比小于1，說明最后形成的是a疇。

圖8. 渦旋疇力學(xué)轉(zhuǎn)變過程中的結(jié)構(gòu)變化 更直觀的表征則依賴于原位原子分辨的觀測。在加力情況下，依然能做到原子分辨成像，使得在原子尺度上跟蹤極性拓撲結(jié)構(gòu)的演化成為可能。通過一系列外力下原子分辨照片，記錄下渦旋疇轉(zhuǎn)變的詳細過程，發(fā)現(xiàn)渦旋疇逐漸轉(zhuǎn)變最終變成a疇。撤去外力，渦旋疇自發(fā)恢復(fù)，恢復(fù)過程是可逆的。

圖9. 渦旋疇力學(xué)轉(zhuǎn)變和恢復(fù)過程的原子分辨成像 03

總結(jié)與展望

該項工作通過國內(nèi)外課題組在材料制備、結(jié)構(gòu)表征、原位電鏡物性測控、理論計算等方面的通力合作，實現(xiàn)了鐵電極性拓撲結(jié)構(gòu)的外場調(diào)控及其原子尺度觀測表征，揭示了拓撲相變調(diào)控的物理機制，為新型信息存儲和電子器件應(yīng)用提供了原理性基礎(chǔ)。 理論上預(yù)言的極性拓撲結(jié)構(gòu)還有很多種。如何在實際的鐵電材料中實現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)，原位電鏡研究啟示，除了依靠薄膜應(yīng)力調(diào)控外，利用局域場技術(shù)來調(diào)控體系邊界條件為尋找新極性拓撲結(jié)構(gòu)打開了新的思路；在物理表征上，極性拓撲結(jié)構(gòu)在相變過程中場、荷、勢的實時演化過程以及拓撲序參量如渦旋手性等的測量仍然存在很大難度，這些都是值得研究的方向。 該工作由中科院物理所白雪冬課題組、北京大學(xué)物理學(xué)院高鵬課題組、 湘潭大學(xué)王金斌課題組、浙江大學(xué)王杰課題組、美國賓州州立大學(xué)陳龍慶課題組合作完成。