極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在高密度存儲(chǔ)器和新型電子器件等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力是鐵電材料的研究熱點(diǎn)。探究外場例如：電場、應(yīng)力激勵(lì)對(duì)拓?fù)錁O性結(jié)構(gòu)的影響以及當(dāng)中的動(dòng)力學(xué)過程對(duì)它們的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。近年來，得益于材料生長技術(shù)和顯微表征技術(shù)的發(fā)展，通過調(diào)控鐵電材料的應(yīng)力邊界條件和電場，研究人員在復(fù)雜氧化物超晶格和鐵電薄膜中制備了多種極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比如極性渦旋（Polar Vortex）、極性頂點(diǎn)（Polar Vertex）、極性斯格明子（Polar Skyrmion）和極性半子（Polar Meron）等，這些極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有望用于超高密度存儲(chǔ)器件。相關(guān)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(xué)高鵬教授同合作者以三重極性頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)為模型研究了單個(gè)極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性。三重極性頂點(diǎn)一般在絕緣襯底上才能穩(wěn)定存在，但是絕緣襯底使得不能有效施加電場從而無法實(shí)現(xiàn)電場調(diào)控的研究。他們利用界面元素的自發(fā)互擴(kuò)散來調(diào)整界面的極化電荷屏蔽程度，實(shí)現(xiàn)既能夠穩(wěn)定這種極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，又能夠施加電場。PbTiO3/SrRuO3界面處的晶體結(jié)構(gòu)和元素分布表明Ti元素?cái)U(kuò)散到了SrRuO3中對(duì)Ru元素進(jìn)行了部分替代，在PbTiO3/SrTiO3界面產(chǎn)生了約2個(gè)晶胞厚度的SrTiO3絕緣層（Fig. 2），為三重極化頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)的形成提供了所需的電場邊界條件。同時(shí)較薄的SrTiO3層為通過探針和SrRuO3底電極對(duì)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(rèn)為來自DyScO3襯底的拉應(yīng)力也為三重極性頂點(diǎn)的形成提供了應(yīng)力邊界條件。相場模擬結(jié)果驗(yàn)證了SrTiO3層的作用。

隨后他們利用原位透射電子顯微技術(shù)手段研究了孤立三重極性頂點(diǎn)在電場作用下的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)。如下圖所示，利用原位透射電鏡電學(xué)測(cè)量系統(tǒng)（安徽澤攸科技有限公司生產(chǎn)的PicoFemto?掃描探針類透射電鏡原位電學(xué)測(cè)量系列產(chǎn)品），鎢針尖作為上電極在PbTiO3上施加偏壓，底電極SrRuO3接地，實(shí)時(shí)觀察了電場作用下的疇結(jié)構(gòu)演變（Fig. 3）。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)電場誘導(dǎo)的180°鐵電疇壁擴(kuò)展到界面時(shí)，三重極性頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)開始形核。然后孤立的三重極性頂點(diǎn)在外電場的驅(qū)動(dòng)下隨著180°疇壁來回移動(dòng)，高速度達(dá)到了約629 nm/s。相場模擬重現(xiàn)了電場驅(qū)動(dòng)孤立的三重極性頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)的形核和移動(dòng)過程。這個(gè)研究結(jié)果表明了孤立的三重極性頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)在電場下的移動(dòng)能力，為單個(gè)極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性和應(yīng)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(fā)表在《Nature Communications》上。北京大學(xué)物理學(xué)院高鵬教授為論文通訊作者，北京大學(xué)研究生李明強(qiáng)為論文作者。合作研究人員包括臺(tái)灣陽明交通大學(xué)Ying-Hao Chu教授團(tuán)隊(duì)，美國賓夕法尼亞州州立大學(xué)Long-Qing Chen教授團(tuán)隊(duì)，中國科學(xué)院物理研究所白雪冬研究員團(tuán)隊(duì)等。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-33973-8

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