中科院金屬所研究發(fā)現(xiàn)室溫電極化斯格明子晶格
2019年05月09日 9:49 5224次瀏覽 來源： 金屬所 分類： 新材料前沿
2015年，金屬所馬秀良研究員、朱銀蓮研究員和唐云龍博士等通過PbTiO3/SrTiO3鐵電多層膜的設計實施應變調(diào)控，發(fā)現(xiàn)鐵電材料中的通量全閉合疇結(jié)構(gòu)并成功制備出由順時針和逆時針閉合結(jié)構(gòu)交替排列所構(gòu)成的大尺度周期性陣列(Science 2015)。該項工作發(fā)表后迅速激發(fā)了國際上關于新型鐵電極化拓撲結(jié)構(gòu)及性能研究的熱潮。在上述工作的基礎上，2016年加州大學伯克利分校及勞倫斯伯克利國家實驗室制備并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(fā)現(xiàn)了鐵電渦旋疇陣列(Nature 2016)。目前，其它可能的新型電極化拓撲結(jié)構(gòu)及其潛在誘導新性能已成為低維氧化物功能材料領域的研究熱點，國際上許多相關的課題組正在對其展開全方位探索研究。
唐云龍博士在2017年2月至2019年4月訪問伯克利期間，作為主要實驗設計者和完成人員之一，在前述工作基礎上，與加州大學伯克利分校的R. Ramesh教授課題組、加州大學伯克利分校L. Martin教授、賓州州立大學陳龍慶教授以及西班牙坎塔布里亞大學J. Junquera教授等課題組深入合作，在鐵電材料極化拓撲結(jié)構(gòu)研究中再度取得重大突破：他們在PbTiO3/SrTiO3超晶格中發(fā)現(xiàn)了室溫穩(wěn)定存在的電極化斯格明子晶格（圖1-3）。2019年4月17日，相關結(jié)果以“Observation of room-temperature polar skyrmions”為題，在Nature雜志在線發(fā)表。
自2009年開始，磁性斯格明子晶格的實驗觀測掀起了相關的動力學及理論物理研究熱潮，以探索其作為新型自旋電子器件的潛力。如果能在鐵電極化體系中進一步發(fā)現(xiàn)相應的斯格明子晶格，這無疑將會是鐵電極化拓撲結(jié)構(gòu)研究方面的又一重大突破。在深入探究PbTiO3/SrTiO3體系中各種能量競爭關系基礎上，唐云龍等人利用SrTiO3(001)襯底成功制備出系列PbTiO3/SrTiO3超晶格體系。利用像差校正透射電子顯微學定量分析方法和同步輻射衍射，在[(SrTiO3)16/(PbTiO3)16]8等體系中觀測到完整的斯格明子晶格，它們由尺度約為8納米的單個斯格明子在PbTiO3層中大規(guī)模凝聚而形成，在面內(nèi)有形成四方格子的傾向；在界面附近具有Néel 型分散或匯聚的極化分量。第二原理等理論計算測得其skyrmion number恒為+1。
該項工作首次在實空間揭示了電極化體系中的斯格明子晶格。相比于鐵磁體系，該種極化斯格明子晶格能夠在室溫穩(wěn)定存在，且無需外場誘導產(chǎn)生，相對更容易實現(xiàn)后續(xù)動力學行為研究和調(diào)控，為探索基于極化斯格明子的新型電子器件提供了途徑。同時，該實驗揭示了極化體系中的電偶極子在一定條件下也具有類似特殊自旋凝聚結(jié)構(gòu)的準粒子行為，無疑將為電極化拓撲結(jié)構(gòu)及其性能關系研究打開新的篇章。2019年4月17日，Nature雜志同期以“Electrifying skyrmion bubbles”為題，在“NEWS AND VIEWS”板塊對論文相關結(jié)果進行了重點推介，指出其對凝聚態(tài)基本物理和潛在應用的新引領導向作用。
圖1： (SrTiO3)16/(PbTiO3)16/(SrTiO3)16三層體系及[(SrTiO3)16/(PbTiO3)16]8超晶格的低倍截面暗場像及平面STEM成像。c, d中插圖為相應圖像的快速傅里葉變換。三層結(jié)構(gòu)中包含帶狀疇與單個斯格明子結(jié)構(gòu)；超晶格中以二維斯格明子晶格為主。
圖2：[(SrTiO3)16/(PbTiO3)16]8超晶格中斯格明子晶格的低倍平面HAADF-STEM欠焦成像。這里展示了平面TEM樣中8層PbTiO3及其中的大規(guī)模極化斯格明子晶格。
責任編輯：陳巖
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