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东南大学研究团队首次在分子钙钛矿铁电体中观察到涡旋畴结构
2020-03-25 10:30:00
东南大学
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  近日,东南大学化学化工学院国际分子铁电科学与应用研究院暨江苏省“分子铁电科学与应用”重点实验室在分子铁电研究中取得重要进展。

  团队首次在分子铁电薄膜中发现了奇特的“涡旋-反涡旋” (vortex-antivortex)畴结构。

  作为一种特殊的拓扑形态,铁电涡旋畴中自发极化在有限空间内局域成一个闭合通量,使得该区域尤其是畴壁处具有丰富的物理性质,在铁电超导器件、场效应晶体管、光电探测器和发光二极管等器件上有广泛的应用。

  此外,由于涡旋中心能量最低,极化态之间的翻转更容易,这种畴结构非常适合构筑低能耗存储器。

  目前对涡旋畴结构的研究大多是基于无机铁电材料,在分子铁电体中还没有报道。该文利用“氟代效应” 改性策略,成功合成了有机-无机杂化钙钛矿分子铁电体(4,4-difluoropiperidinium)2PbI4。

  受对称性和边界条件限制,该材料的薄膜中广泛存在由8个次级畴合并而成的8重态拓扑畴结构。基于晶体结构及压电力显微镜(PFM)成像分析,拓扑畴中一共存在4种极化状态。

  其中,同一个象限中两个畴的极化方向相反,呈180˚角;而相邻象限畴的极化方向夹角为90˚。这样,该区域的极化在顺时针方向存在一个+2π旋转(vortex),在逆时针方向存在一个-2π旋转(anti-vortex),形成漂亮的“涡旋-反涡旋”结构。

  独特的畴结构,加之分子铁电体的机械柔性、易结晶、易成膜等特点,使得(4,4-difluoropiperidinium)2PbI4在器件上有很大的应用前景。

  相关成果以 “Observation of vortex domains in a two-dimensional lead iodine perovskite ferroelectric”为题在化学领域顶级期刊Journal of the American Chemical Society《美国化学会会志》上发表。

  该工作由博士生张含悦、宋贤江、陈晓刚等共同努力完成,东南大学为第一通讯单位。

  该成果得到“东南大学十大科学与技术问题”启动培育基金的资助。

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