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西安交通大学研究人员首次在铁电陶瓷中获得极性拓扑态
2021-06-28 11:06
西安交通大学
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  近日,材料学院孙军教授、丁向东教授、武海军教授与四川大学通力合作在无铅钛酸铋钠基弛豫铁电陶瓷的电畴结构调控方面取得重要进展。该团队利用精细化组分调控的手段,首次在块体铁电陶瓷中发现且证实了具有多极性拓扑构型的纳米尺度的泡状铁电畴结构。通过球差校正扫描透射电镜、压电力显微镜对泡状电畴里的拓扑形貌进行了实空间成像,并用相场模拟的手段揭示了观测到的现象源于强、弱自发极化铁电相的块体能、弹性能和静电能的相互调制作用。该工作为研究块体铁电材料中的拓扑电畴结构提供了一种新思路。

  薄膜材料可以有效控制极化场和退极化场,因而通过改变铁电层和顺电层之间的外延应力,在多层薄膜中可实现对拓扑电畴结构的操控。然而,这类有效的外延应力却不适用于块体材料,这也限制了这些具有丰富物理性能的拓扑结构在块体铁电材料中的应用。块体铁电材料的总自由能主要受共存相的块体能、弹性能和静电能的调制,这也决定了最终观察到的铁电畴的构型。弛豫铁电陶瓷作为一类具有优异的机电耦合响应的功能材料,近些年来吸引了越来越多的研究人员对其具有多相共存的微观结构开展研究。本文首次在块体铁电陶瓷中发现且证实了泡状铁电畴的存在,还指出了该类材料中极性斯格明子存在的可能性。

  图例:A.在钛酸铋钠基弛豫铁电陶瓷中通过化学改性来诱发泡状畴的策略。B.用球差校正的STEM对潜在的极性斯格明子进行实空间成像。C.相场模拟的结果揭示块体铁电材料中的多种极性结构。D.泡状畴在外加电场作用下演变为“甜甜圈”状电畴结构,在高密度存储方向可能具有潜在的应用价值。

  相关成果以“Nanoscale bubble domains with polar topologies in bulk ferroelectrics”为题发表在Nature Communications上。 西安交大为该论文第一通讯作者单位,材料学院武海军教授、四川大学吴家刚教授、新加坡国立大学Stephen J. Pennycook教授为共同通讯作者,材料学院宗洪祥副教授为论文共同第一作者。该研究得到了西安交大青年拔尖人才计划等项目的支持,感谢学校分析测试共享中心在电镜定性和定量结构表征和分析的鼎力支持。

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