2019年10月，浙江大學(xué)聯(lián)合美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)課題組在Nature Communications上發(fā)表題為“Manipulating topological transformations of polar structures through real-time observation of the dynamic polarization evolution”的最新研究成果。該研究報(bào)道了一種原子級(jí)別操縱鐵電渦旋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方法，并對(duì)拓?fù)渥儞Q過(guò)程所蘊(yùn)含的物理意義進(jìn)行了深入探討。

與鐵電鐵磁相關(guān)聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為下一代高密度存儲(chǔ)器件重要研究方向之一。在鈣鈦礦氧化物多鐵材料（如PbTiO3/SrTiO3）中，疇結(jié)構(gòu)因其與鐵電性、導(dǎo)電性、磁性等諸多豐富物理特性的緊密關(guān)聯(lián)而具有極高研究?jī)r(jià)值。課題組利用配備能量單色器的球差矯正掃描透射電子顯微鏡結(jié)合原位電學(xué)系統(tǒng)，發(fā)展了具有高調(diào)控自由度的原位實(shí)驗(yàn)方法；在原子級(jí)別實(shí)現(xiàn)了對(duì)鐵電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有效操控與演變的實(shí)時(shí)，動(dòng)態(tài)觀測(cè)；在電子結(jié)構(gòu)層面揭示了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的演變特征；從而厘清了在外加電場(chǎng)作用下的拓?fù)湎嘧円?guī)律；為高質(zhì)量、高性能鐵電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

圖1. 原子級(jí)別實(shí)時(shí)觀測(cè)和原位操控鐵電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變

本工作利用PLD生長(zhǎng)獲取了原子級(jí)別平整的PbTiO3/SrTiO3多層薄膜材料，通過(guò)微結(jié)構(gòu)表征與GPA闡明了局域應(yīng)力對(duì)鐵電疇結(jié)構(gòu)規(guī)律性演變的調(diào)控作用。在此基礎(chǔ)上采用非接觸式原位電學(xué)方法，在原子級(jí)別實(shí)時(shí)觀測(cè)到了鐵電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從渦旋態(tài)（vortex）、穩(wěn)定波紋態(tài)（wave），進(jìn)而到單疇極化狀態(tài)（polar down）的轉(zhuǎn)變過(guò)程。在對(duì)各演化階段的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行探討的同時(shí)，利用原子級(jí)分辨的電子能量損失譜表征手段，獲取了不同疇結(jié)構(gòu)的電子結(jié)構(gòu)信息，對(duì)可能存在于特定拓?fù)錁?gòu)型的電荷聚集與拓?fù)溲葑冞^(guò)程中的電荷轉(zhuǎn)移做出了預(yù)測(cè)。

圖2. 原子級(jí)別的電子能量損失譜表征

該項(xiàng)研究工作由浙江大學(xué)張澤院士和田鶴研究員提出設(shè)計(jì)構(gòu)思，謝燕武研究員開(kāi)展了薄膜材料制備工作，陳龍慶教授提供模擬與理論解釋支撐，博士生杜凱進(jìn)行了電子顯微學(xué)及原位方面的表征研究。博士生杜凱為論文的第一作者，張澤院士和田鶴研究員為論文的通訊作者。該項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃等項(xiàng)目資助。

文章鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-019-12864-5

本文由浙江大學(xué)張澤院士團(tuán)隊(duì)田鶴課題組供稿。