吴迪、杨玉荣、邓昱教授团队：铁电拓扑织构新材料体系——铁电-反铁电固溶体中的极性斯格明子纳米畴

随着非平凡拓扑畴领域研究的不断深入，基于拓扑极化织构的新颖物理性能被相继发现，为拓扑电子学的发展带来了启发，其中极性斯格明子展现出负电容效应、可切换阻态变化等性能的同时可以进行硅基集成并与互补金属氧化物半导体工艺(CMOS)兼容因而备受关注。然而目前极性斯格明子仅存在于少数材料体系中，例如铁电/介电超晶格体系，自支撑PbTiO₃/SrTiO₃外延双层膜以及超薄Pb(Zr,Ti)O₃/SrTiO₃/Pb(Zr,Ti)O₃薄膜等结构中。在这些体系中创建极性斯格明子需要借助复杂的结构设计来平衡能量间的相互作用，对样品制备和器件加工造成了限制，因此探索更加便捷、高效地创建极性斯格明子纳米畴的方式，对于拓扑电子学发展是十分必要的。

菠菜担保网论坛吴迪、杨玉荣、邓昱与青岛大学温峥合作团队提出一种构建非平凡拓扑畴的新策略，使用自发极化取向存在差异的铁电体与反铁电体制备出铁电-反铁电固溶体，通过调控固溶体组分调节偶极-偶极相互作用与反铁电畸变-偶极相互作用间的竞争关系，使得固溶体中非共线偶极子的排列变得有序并形成极性斯格明子纳米畴。基于以上策略，展示了由铁电体PbTiO3与反铁电体PbSnO3[PbTi1-xSnxO3]、PbHfO3[PbTi1-xHfxO3]和PbZrO3[PbTi1-xZrxO3]制备的铁电-反铁电固溶体中广泛存在的极性斯格明子纳米畴，并为三种系列固溶体构建了极性斯格明子纳米畴成分相图，揭示了其中极性斯格明子纳米畴的稳定区域。大尺度的有效哈密顿量模拟从原子级耦合的层面验证了由这种竞争引起极性斯格明子的机制。进一步研究发现在电场作用下可以实现对极性斯格明子纳米畴的写入/擦除，同时斯格明子极化织构可以长时间保持，而拓扑极化织构的出现也改善了纳米畴的翻转特性。该工作为铁电材料中极性斯格明子的研究和开发开辟了道路，并为拓扑电子学的发展提供了机遇。

图1.极性斯格明子纳米畴的形成。示意图分别展示了(a) 铁电体PbTiO₃，(b) 铁电-反铁电固溶体，(c) 反铁电体PbSnO₃，PbHfO₃，PbZrO₃的晶格中偶极子(上)，畴壁处偶极子排列方式(中)以及对应电畴结构(下)。

图2.极性斯格明子纳米畴的Vector PFM表征。(a) 陶瓷样品Vector PFM测试示意图。(b)，(c) VPFM相位图、VPFM振幅图、LPFM相位图和LPFM振幅图，其中(b)为PbTiO₃样品，(c)为Pb(Ti_0.75Sn_0.25)O₃样品，极性斯格明子纳米畴用蓝色圆圈标出。(d) 中心汇聚型斯格明子极化织构示意图与其Vector PFM图像。(e) 中心发散型斯格明子极化织构示意图与其Vector PFM图像。(f) 样品测试角度分别为0°，30°，60°，90°时的Vector PFM测试结果与纳米畴面内极化矢量分布图，图中标尺为100 nm。

图3.极性斯格明子纳米畴的STEM表征。(a) Pb(Ti_0.75Sn_0.25)O₃样品的STEM暗场像测试图像，其中存在的纳米畴用蓝色圆圈标出。(b) 纳米畴的HAADF-STEM图像与其中心发散型斯格明子极化矢量分布图，插图为红色圆圈标出的晶格中的B位原子(红色表示)相对与A位原子(蓝色表示)发生的位移，方向用黄色箭头标出。(c-f) 中心发散型(c)与中心汇聚型(d)斯格明子极化织构与其对应的4D-STEM环形暗场像图像(e)和(f)。(g) HAADF-STEM图像与其极化矢量分布图，显示出两侧极化连续旋转并汇入中心形成共线极化的极化织构，与极性斯格明子纳米畴侧面相对应。

图4. 铁电-反铁电固溶体的有效哈密顿量模型模拟。(a) 模拟的Pb(Ti_0.75Sn_0.25)O₃固溶体在准块体48×48×48超晶胞中的电畴结构，其中j₁ = -0.88 eV/Ų，K = 0.0018 eV/(Årad)，图中箭头为面内极化分量，黄色与蓝色分别表示沿[001]与[00]方向的面外极化分量。(b-c) 偶极-偶极相互作用强度j₁逐渐增强时电畴结构演化，其中(b) j₁ = -0.97 eV/Ų，(c)j₁ = -1.02 eV/Ų。(d-e) 反铁电畸变-偶极相互作用强度K逐渐增强时电畴结构演化 ，其中(d) K = -0.01 eV/(Årad)，(e) K = -0.50 eV/(Årad)。(f) 模拟的PbTiO₃电畴结构。(g) 模拟的PbSnO₃电畴结构。有效哈密顿量的参数拟合及模拟采用ALFE-H软件包（obeyond.nju.edu.cn/Code/index.html）实现。

图5.极性斯格明子纳米畴成分相图。随着反铁电浓度x从0%(PbTiO₃)增加到100%(PbSnO₃、PbHfO₃或PbZrO₃)时固溶体中电畴结构的演变过程。中间区域展示了在PbTi_1-xSn_xO₃、PbTi_1-xHf_xO₃和PbTi_1-xZr_xO₃固溶体中形成极性斯格明子纳米畴的成分区域。

图6.极性斯格明子纳米畴的翻转特性。(a) Pb(Ti_0.75Sn_0.25)O₃固溶体中极性斯格明子纳米畴与无极化织构普通畴的PFM相位回线，插图为测量过程与极化翻转示意图。(b) Pb(Ti_0.75Sn_0.25)O₃、Pb(Ti_0.50Hf_0.50)O₃和Pb(Ti_0.33Zr_0.67)O₃固溶体的矫顽电压。(c) VPFM和LPFM图像显示极性斯格明子纳米畴的翻转过程。(d) VPFM和LPFM图像显示写入的极性斯格明子在12小时后的保持状况。

相关成果以“Skyrmion nanodomains in ferroelectric–antiferroelectric solid solutions”为题于4月15日在线发表在Nature Materials期刊，郑维杰、马兴越、庞振涛为共同第一作者，温峥、杨玉荣、邓昱为共同通讯作者。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02216-8。