金屬所在鐵電材料中發現周期性半子晶格

　　【儀表網 儀表研發】中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心馬秀良團隊在氧化物鐵電材料中發現半子(Meron，也有音譯為麥紉)拓撲疇以及周期性半子晶格。這一發現是繼通量全閉合(Science 2015)之后，該研究團隊在有關鐵電材料拓撲疇結構方面的又一項重要突破，為與鐵磁材料類比的結構特性再添新的實質性內容，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的一類材料，它是熱釋電材料的一個分支。鐵電材料及其應用研究已成為凝聚態物理、固體電子學領域熱門的研究課題之一。晶體，其原因在于他們具有相當優異的性能。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上或理論上都具有重要的意義。
 

　　拓撲疇結構具有拓撲保護性，可使數據得以長時間保存，在非易失性信息存儲方面具有重要應用價值。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極化旋轉。如何突破鐵電極化與晶格應變的相互制約，實現極化反轉與晶格應變的有效調控，獲得有望用于超高密度信息存儲的結構單元，是當今鐵電材料領域面臨的一個基礎性科學難題。
 

　　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材料會產生自發極化。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，也能產生電偶極矩，并且其自發極化可以在外電場作用下改變方向 [4] 。當溫度高于某一臨界值時，其晶格結構發生改變，正負電荷中心重合，自發極化消失，這一溫度臨界值稱為居里溫度(Tc)。壓電性是實現機械能-電能相互轉換的一種性質。若在某一方向上給材料施加外力使材料發生形變，其內部會發生極化并在表面產生電荷，這就是壓電效應；相反，若給材料施加電場則材料會發生形變而產生機械力，這就是逆壓電效應。所有的鐵電材料都具備上述2種特性，這是構建機電系統的材料基礎之一。
 

　　該研究團隊經過長期的學術積累，近年來在解決上述基礎科學難題方面相繼取得突破。他們曾實施應變調控在鈧酸鹽襯底上構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，不僅發現通量全閉合疇結構及其新奇的原子構型圖譜，而且觀察到由順時針和逆時針閉合結構交替排列所構成的大尺度周期性陣列(Science 2015)。在此基礎上，美國加州大學伯克利分校的科學家利用同樣的電子顯微學方法，在相同成分、不同應變條件下的PbTiO3/SrTiO3超晶格體系中發現了鐵電渦旋疇陣列(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超晶格中發現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構。鐵電材料中周期性半子晶格的發現是該研究團隊在前期應變調控方法的基礎上，通過像差校正電子顯微成像并結合相場模擬，使得半子結構所特有的面外極化與面內極化一同在實空間呈現出來。他們在外延生長在SmScO3襯底上的超薄PbTiO3薄膜(5nm)中不僅發現面內匯聚型和面內發散型半子，而且發現反半子結構，以及半子與反半子組合后發生湮滅所形成的拓撲荷為零的疇結構。通過對像差校正顯微圖像中離子位移的定量分析，發現半子和反半子按照一定的規律形成晶格(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中。在凝聚態物理中，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，已逐漸發展為元激發物理。
 

　　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，直接從原子系統出發應用獨立粒子統計法求解系統的熱力學量是非常困難的。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簡化成“準粒子”系統(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變調控鐵電材料拓撲疇結構的重要性和有效性，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構的準粒子行為，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，這表明具有亞埃尺度分辨能力的像差校正電子顯微術以及在此基礎上的定量分析是科學家認識物質結構和自然規律的有力手段。
 

　　資料來源：百科、金屬研究所