您当前的位置: 首页 > 科学与发现 > 新结构

铁电材料中通量全闭合畴结构的发现


自1986年起,物理学家就相继预测在一定的条件下铁电材料中可能出现通量全闭合结构,且理论上该结构可带来超高密度的信息存储功能。但经过几十年的探索,通量全闭合畴结构虽然在铁磁材料中已有报道,但在铁电材料中却一直没有得到实验证实,其主要困难在于铁电材料中通量全闭合结构必然导致巨大的晶格应变。如何突破铁电极化与晶格应变的相互制约,实现极化反转与晶格应变的有效调控,获得有望用于超高密度信息存储的结构单元,是当今铁电材料领域面临的一个重大基础性科学难题。

国家实验室研究人员与合作者在通过应变调控的PbTiO3铁电薄膜中不仅发现通量全闭合畴结构及其新奇的原子构型图谱,而且观察到由顺时针和逆时针闭合结构交替排列所构成的大尺度周期性阵列。在此基础上,他们揭示了周期性闭合结构的形成规律,发现在一定的薄膜厚度范围内由通量闭合结构构成的周期性阵列的周期大小与薄膜厚度之间成比值约为√2的线性关系;推导出闭合结构核心处超大的应变梯度(109/m)并计算出目前最高量级的弯电常数(10-10C-1m3)。

该项工作表明通过失配应变调制铁电材料畴结构和物理特性的重要性和有效性,解决了铁电领域畴壁组态方面数十年来悬而未决的重大基础性科学难题,为与铁磁材料类比的结构特性增添了新的实质性内容。该项工作将把铁电薄膜器件的设计和研发推向一个新的高度,为探索基于铁电材料的高密度信息存储器提供了新途径。

相关成果发表在Sci. 348 (2015) 547上。

The periodic domain structures in SrTiO3(10 nm)/PbTiO3(36 nm)/SrTiO3(3 nm)/PbTiO3(28 nm)/GdScO3 multilayers. (a),(b) Schematic and perspective view of the unit-cell of PbTiO3. (c) A HAADF image of the PbTiO3 crystal along [100] exhibiting the ferroelectric ion displacement vectors. (d) A low-magnification high resolution HAADF-STEM image of the PbTiO3/SrTiO3 multi-layer. (e) GPA strain analysis. The c-domains are associated with an abrupt elongation of the out-of-plane lattice parameter (red area in (e)) and exhibit a sinusoidal array. Long-range periodic disclination pairs in the PbTiO3/SrTiO3 multilayer were thus identified. (f), (g) and (h), (i) HAADF-STEM images display the full closure-quadrants with clockwise and counter-clockwise characteristics, respectively.

Developed by SYNL. Copyright © 沈阳材料科学国家研究中心. 辽ICP备05005387号-9