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Nat. Commun.: 顺电材料中的极化涡旋

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-01-07 19:07

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DOI: 10.1038/s41467-024-55328-1

极性拓扑结构，如涡旋和斯格明子，因其独特的物理特性和在高密度存储器件中的潜在应用而备受关注。迄今为止，所有已知的极性涡旋体系都包含铁电材料。近期，清华大学材料学院于荣团队在SrTiO₃扭转双层薄膜中发现了极性涡旋。这是首次在顺电材料中发现的极性涡旋阵列，为理解和调控材料中的极化行为提供了新思路。

在扭转多层膜中提取电极化信息存在以下难点：（ 1 ）由于入射电子在样品中的通道效应，不同层的原子结构信息在传统高分辨成像方法（如 HAADF 环形暗场像）中相互串扰，无法有效解耦；（ 2 ）尽管氧化物中的电极化主要来源于金属离子和氧离子之间的相对位移，但是传统的 HAADF 环形暗场像难以获得氧离子的位置信息，因此忽略了材料中主要的极化贡献。针对这两个难点，清华大学于荣团队应用多片层电子叠层成像技术获得了 SrTiO 3 扭转双层薄膜在不同深度处的原子结构（图 1 ）。

图 1 、多片层叠层成像与环形暗场像的对比。 a-b) 上、下层薄膜的总相位图像。 Sr 、 Ti 和 O 原子都得到了清晰的成像。相位图像上叠加了 SrTiO₃ 的结构模型，其中 Sr 、 Ti 和 O 原子分别用绿色、蓝色和红色标注。 c-d) 上、下层薄膜的 HAADF 环形暗场图像，其中缺乏氧原子的信息，而且下层薄膜由于层间串扰而存在假象。标尺为 2 纳米。

氧离子的精确定位对于局域极化的测量至关重要。团队正是基于同时对氧离子和金属离子位置的精确测量，揭示了顺电材料 SrTiO ₃ 中极性涡旋的存在及其沿涡旋轴的演化现象。研究发现，极性涡旋在平面内形成了阵列（如图 2 ），而在堆叠方向上，涡旋的旋转方向在顺时针和逆时针之间交替变化（如图 3a ）。而且，极性涡旋的形成与晶格旋转密切相关。通过相场模拟，研究团队揭示了挠曲电效应对顺电材料中引入极性涡旋的重要作用，并给出了三维极化分布（图 3b ）。

图 2 、双层扭转 SrTiO₃ 自支撑薄膜中的极性涡旋阵列。 a) 双层膜的总相位图像，揭示了堆叠区域中的莫尔条纹。具有 AA 和 AB 堆叠序列的区域分别用黄色和红色圆圈标记。标尺为 2 纳米。 b) 下层 SrTiO ₃ 薄膜中的极性涡旋阵列。色标代表极化场的旋度在深度方向（电子束入射方向）的分量，单位为 10 ¹⁰ C/m ³ 。标尺为 2 纳米。

图 3 、极性涡旋在深度方向上的演化。 a) 下层 SrTiO ₃ 薄膜中极性涡旋旋转方向反转的演化过程。图中标注了相对深度值。比例尺为 2 纳米。 b) 通过相场模拟获得的三维极化分布。（ a ）与（ b ）图中的颜色代表极化场的旋度在深度方向（电子束入射方向）的分量。

上述研究工作以 “Polar vortex hidden in twisted bilayers of paraelectric SrTiO ₃ ” 为题于 12 月 30 日发表于《自然 · 通讯》（ Nature Communications ）。清华大学材料学院博士生沙浩治和北京理工大学材料学院博士生张亦轩为共同第一作者，于荣教授、黄厚兵教授和李千副教授为共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金基础科学中心项目与清华自主科研项目的资助。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-55328-1 （点击文末「阅读原文」，直达链接）