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摘要

铁电拓扑结构因其尺寸小而且具有优良的物理特性, 有望应用于未来高性能电子器件中. 本文从应变、屏蔽和外场等对于铁电材料至关重要的几个外部要素出发, 结合薄膜厚度等材料内部参数, 针对PbTiO ₃和BiFeO ₃这两种典型的铁电材料, 简要总结新型铁电拓扑结构的形成及其在外场作用下的演变规律. 利用具有亚埃尺度分辨能力的像差校正透射电子显微术呈现了相关拓扑结构的原子结构图谱, 构建了针对PbTiO ₃体系的厚度-应变-屏蔽相图, 系统归纳了两种材料中各种拓扑结构的形成条件. 最后指出这两类铁电材料中易于调控出拓扑结构的几何维度体系, 并指出像差校正透射电子显微术在表征铁电拓扑结构方面的重要作用, 展望了未来可能的关注重点.

关键词:

Abstract

In this paper, the recent progress of ferroelectric topologies is briefly reviewed with the emphasis on the important role of state-of-the-art aberration-corrected transmission electron microscopy in revealing the topological features in nanoscale ferroelectric materials. By identifying the ion displacement at a sub-angström level, the corresponding polarization distribution can be determined which uncovers the characteristics of topological structures. The formation mechanisms of ferroelectric topological structures and their evolutions under external fields are summarized from the perspective of strain, screening, and external fields for two prototypical ferroelectric materials, PbTiO ₃and BiFeO ₃. For the PbTiO ₃, its topological structures such as flux-closures, vortices, bubbles, skyrmions, and merons can be well demonstrated in a thickness-strain-screening phase diagram, which could be a guideline for better understanding the topological structures and also for the future exploration. For BiFeO ₃, its topological structures reported are classified as two categories: one is the unscreened topological structure such as vortices and the other is the screened topological structure (center-type domains). Finally, we present the prospects for the future development of the ferroelectric topologies.

Keywords:

ferroelectric topological structures/
aberration-corrected transmission electron microscopy/
PbTiO₃/
BiFeO₃

作者及机构信息

1.
2.

通信作者:马秀良,xlma@imr.ac.cn

基金项目:中国科学院前沿科学重点研究项目(批准号: QYZDJ-SSW-JSC010)、国家自然科学基金(批准号: 51671194, 51971223, 51922100)和沈阳材料科学国家研究中心项目(批准号: L2019R06, L2019R08, L2019F01, L2019F13)资助的课题

Authors and contacts

1.
2.

Corresponding author:Ma Xiu-Liang,xlma@imr.ac.cn

Funds:Project supported by the Key Research Program of Frontier Sciences, Chinese Academy of Sciences (Grant No. QYZDJ-SSW-JSC010), the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 51671194, 51971223, 51922100), and the Program of Shenyang National Laboratory for Materials Science, China (Grant Nos. L2019R06, L2019R08, L2019F01, L2019F13)

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拓扑结构	铁磁		铁电
拓扑结构	手段	时间/年	手段	时间/年	材料体系
通量全闭合畴	光学显微镜	1949^[24]	像差校正TEM	2015^[21]	PTO/STO
涡旋	磁力显微镜	2000^[6]	像差校正TEM	2016^[29]	PTO/STO
泡泡	光学显微镜	1960^[7]	像差校正TEM	2017^[48]	PZT/STO
斯格明子	中子衍射	2009^[8]	像差校正TEM	2019^[52]	PTO/STO
半子	洛伦兹TEM	2012^[10]	像差校正TEM	2020^[23]	PTO
中心畴结构	—	—	PFM	2017^[57]	BFO
刺猬结构	—	—	像差校正TEM	2018^[63]	BFO

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