Nat. Commun. ：北京大學利用原位TEM觀測電場調控孤立三重極性頂點的形核和移動
日期：2022-11-30
極性拓撲結構在高密度存儲器和新型電子器件等領域具有很大的應用潛力是鐵電材料的研究熱點。探究外場例如：電場、應力激勵對拓撲極性結構的影響以及當中的動力學過程對它們的實際應用至關重要。近年來，得益于材料生長技術和顯微表征技術的發展，通過調控鐵電材料的應力邊界條件和電場，研究人員在復雜氧化物超晶格和鐵電薄膜中制備了多種極性拓撲結構，比如極性渦旋（Polar Vortex）、極性頂點（Polar Vertex）、極性斯格明子（Polar Skyrmion）和極性半子（Polar Meron）等，這些極性拓撲結構有望用于超高密度存儲器件。相關研究成果：
1、Nat. Commun. 2020, 11, 1840
2、Proc. Natl. Acad. Sci. 2020, 117, 18954
3、Phys. Rev. Lett. 2022, 129, 107601
4、Nature Materials, 2020, 19(8): 881-886
近日，北京大學高鵬教授同合作者以三重極性頂點結構為模型研究了單個極性拓撲結構的動力學特性。三重極性頂點一般在絕緣襯底上才能穩定存在，但是絕緣襯底使得不能有效施加電場從而無法實現電場調控的研究。他們利用界面元素的自發互擴散來調整界面的極化電荷屏蔽程度，實現既能夠穩定這種極性拓撲結構，又能夠施加電場。PbTiO3/SrRuO3界面處的晶體結構和元素分布表明Ti元素擴散到了SrRuO3中對Ru元素進行了部分替代，在PbTiO3/SrTiO3界面產生了約2個晶胞厚度的SrTiO3絕緣層（Fig. 2），為三重極化頂點結構的形成提供了所需的電場邊界條件。同時較薄的SrTiO3層為通過探針和SrRuO3底電極對鐵電薄膜施加電場提供了必要條件。此外他們從晶格失配角度分析，認為來自DyScO3襯底的拉應力也為三重極性頂點的形成提供了應力邊界條件。相場模擬結果驗證了SrTiO3層的作用。
隨后他們利用原位透射電子顯微技術手段研究了孤立三重極性頂點在電場作用下的產生和運動。如下圖所示，利用原位透射電鏡電學測量系統（安徽澤攸科技有限公司生產的PicoFemto?掃描探針類透射電鏡原位電學測量系列產品），鎢針尖作為上電極在PbTiO3上施加偏壓，底電極SrRuO3接地，實時觀察了電場作用下的疇結構演變（Fig. 3）。他們發現當電場誘導的180°鐵電疇壁擴展到界面時，三重極性頂點結構開始形核。然后孤立的三重極性頂點在外電場的驅動下隨著180°疇壁來回移動，高速度達到了約629 nm/s。相場模擬重現了電場驅動孤立的三重極性頂點結構的形核和移動過程。這個研究結果表明了孤立的三重極性頂點結構在電場下的移動能力，為單個極性拓撲結構的動力學特性和應用提供了有用信息。
研究成果以“Electric-field control of the nucleation and motion of isolated three-fold polar vertices”為題發表在《Nature Communications》上。北京大學物理學院高鵬教授為論文通訊作者，北京大學研究生李明強為論文作者。合作研究人員包括臺灣陽明交通大學Ying-Hao Chu教授團隊，美國賓夕法尼亞州州立大學Long-Qing Chen教授團隊，中國科學院物理研究所白雪冬研究員團隊等。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-33973-8
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作者：澤攸科技