北理工團隊在力學調(diào)控拓撲鐵電疇研究中取得重要進展
發(fā)布日期：2024-01-09 供稿：宇航學院 王學云 攝影：王學云
編輯：趙亞康 審核：龍騰 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學王學云，洪家旺團隊在力學調(diào)控拓撲鐵電疇研究中取得重要進展，相關(guān)成果以“Mechanical Manipulation for Ordered Topological Defects”為題，發(fā)表于國際權(quán)威期刊Science Advances期刊。研究團隊建立了一種殘余應(yīng)力的力學調(diào)控策略，針對拓撲鐵電疇結(jié)構(gòu)，通過納米壓痕引入應(yīng)力與晶格相互作用的馬格努斯力，使鐵電單晶中的渦旋疇呈現(xiàn)六重對稱的分布，進而拓展壓痕至劃痕，通過納米劃痕將隨機分布的渦旋疇調(diào)控成大面積（50 μm ′ 500 μm）、高密度（周期 400 nm）、單一手性平行條紋疇，解決了受拓撲保護的鐵電疇難以在室溫局域精準調(diào)控的難題，為其他鐵電、鐵磁和鐵彈等鐵性材料的疇調(diào)控及應(yīng)用提供新思路。
拓撲缺陷，作為一種具有拓撲保護的微結(jié)構(gòu)，是研究體系對稱性與序參量演變的重要載體。在鐵電領(lǐng)域，拓撲疇/疇壁結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出新奇物理現(xiàn)象，形成了穩(wěn)定的荷電疇壁，展現(xiàn)出半波整流效應(yīng)、高頻交流導(dǎo)電特性等潛在應(yīng)用前景，在多態(tài)存儲器和納米電子器件中具有潛在的應(yīng)用價值。因此，對拓撲鐵電渦旋疇的空間有序度進行有效操控至關(guān)重要。然而，由于該類型鐵電疇結(jié)構(gòu)受到拓撲保護作用，通過電場、溫度場等手段難以實現(xiàn)對渦旋疇的精確調(diào)控。
在此基礎(chǔ)上，研究團隊在室溫下嘗試通過納米壓痕法，在單晶晶面引入應(yīng)變（圖1）。經(jīng)過熱動力學處理，發(fā)現(xiàn)圍繞壓坑附近的渦旋疇重新排列，呈六重對稱性分布。為揭示其隱藏的機理，研究團隊引入了應(yīng)變場與渦旋-反渦旋位置之間的相互作用能，得到作用在渦旋中心和反渦旋中心的馬格努斯力。在馬格努斯力的作用下，渦旋中心和反渦旋中心反向分離。
圖1 納米壓痕調(diào)控LuMnO3單晶渦旋疇重新分布
基于納米壓痕單點調(diào)控局域渦旋疇分布的機制，研究團隊通過采用納米劃痕法，擴大了渦旋疇的調(diào)控范圍（圖2），在劃痕調(diào)控渦旋疇分布策略的基礎(chǔ)上，研究團隊設(shè)計了兩條反平行分布的劃痕。實現(xiàn)了50 mm寬，周期為400 nm的單一手性高密度條紋疇，并且分布范圍可以隨著劃痕的長度延長至整個單晶長度。為了揭示納米劃痕引入的應(yīng)變分布狀態(tài)，研究團隊采對劃痕附近的應(yīng)變狀態(tài)進行表征，結(jié)果表明面內(nèi)應(yīng)變的分布范圍比面外應(yīng)變分布范圍大三個數(shù)量級，因此面內(nèi)應(yīng)變分布在力學調(diào)控拓撲微結(jié)構(gòu)構(gòu)型與有序度的過程中起著主要作用。
圖2 納米劃痕調(diào)控形成的高密度條紋疇
宇航學院2019級博士生高子巖為第一作者，王學云副教授、洪家旺教授為共同通訊作者，北京理工大學為論文第一單位，黃厚兵教授、陳亞彬教授、靳柯教授、劉戰(zhàn)偉教授、曲兆亮副教授等對該研究工作給予了重要指導(dǎo)和幫助。該研究工作還得到了北京大學、清華大學、北京工業(yè)大學、中科院半導(dǎo)體所等合作單位提供的重要支持與協(xié)助。該研究工作獲得了國家自然科學基金重大研究計劃“功能基元序構(gòu)的高性能材料基礎(chǔ)研究”培育項目的支持，同時受到科技部國家重點研發(fā)計劃、北京市自然科學基金的資助。
全文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi5894
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