В последние годы наноразмерные топологические полярные структуры, обладающие уникальными физическими свойствами, демонстрируют огромный потенциал в электронных приложениях, особенно в таких областях, как устройства хранения информации высокой плотности и малопотребляющие полевые транзисторы. Эти структуры — такие как полярные замкнутые домены, вихри, скирмионы, кольцевые структуры и точки Блоха — благодаря балансу взаимодействий упругой энергии, электростатической энергии и энергии градиента поляризации стабильно существуют в пленках сегнетоэлектрических оксидов, что привлекло широкое внимание исследователей. Однако, несмотря на значительный прогресс, достигнутый в теоретических исследованиях и экспериментальных изучениях этих топологических полярных структур, механизмы их динамической эволюции под воздействием внешних возмущений остаются недостаточно ясными. Например, вопрос о том, как внешние условия — температура, световое поле, электрическое поле и деформационное поле — влияют на фазовые переходы этих структур, требует дальнейшего изучения и объяснения. Кроме того, задача управления крупномасштабными периодическими массивами топологических полярных структур под действием внешних возмущений также является одной из ключевых проблем современности. Существующие исследования преимущественно сосредоточены на формировании и перемещении отдельных или небольших топологических структур; при этом вопрос о том, как с помощью внешних воздействий из обычных сегнетоэлектрических доменных структур можно получить крупномасштабные топологические полярные массивы, по‑прежнему остаётся открытым.

Для продвижения практических применений этих топологических полярных структур в электронных устройствах крайне важно понять их динамическую эволюцию под воздействием внешних электрических полей и других возмущений. Хотя уже проведены исследования, раскрывающие фазовые переходы топологических полярных структур под действием электрического поля — например, превращение полярных вихрей в полярные скирмионы‑пузыри либо преобразование замкнутых доменов в волновое или монополярное состояние, — большинство этих работ сосредоточено на фазовых переходах отдельных структур и не охватывает систематическое изучение генерации и управления крупномасштабными массивами. Кроме того, существующие экспериментальные методы, такие как пьезоэлектрическая микроскопия (PFM), хотя и позволяют записывать и стирать полярные структуры, ограничены разрешением, что затрудняет создание структур размером на наноуровне и реализацию точного контроля на этом масштабе. Таким образом, вопрос о том, как на наноразмерном уровне с помощью внешних электрических полей и других возмущений добиться обратимого управления крупномасштабными топологическими полярными массивами, по‑прежнему остаётся одной из ключевых задач современных исследований. Решение этой проблемы не только углубит понимание динамических свойств топологических полярных структур, но и откроет новые подходы и методы для проектирования будущих наноэлектронных устройств.

В ответ на указанные выше проблемы исследователи Центра микроскопических наук и технологий Большого залива при Лаборатории материалов Суншаньху использовали в‑ситу ТЭМ компании «ZEPTOOLS» для проведения углублённых исследований. , что позволило осуществить электрическое управление топологическими доменами в ферроэлектрических материалах. Соответствующие результаты были опубликованы в журнале Advanced Materials под названием «Обратимое манипулирование полярными топологиями в оксидных ферроэлектриках с помощью электрических полей». Ссылка на оригинальную статью: https:// doi.org/10.1002/adma.202414346

В данной работе подробно исследуется возможность обратимого управления полярными топологическими структурами в оксидных сегнетоэлектрических материалах с помощью внешнего электрического поля, в частности в двуслойных и многослойных пленочных системах PbTiO3/SrTiO3 (PTO/STO). Используя методы in situ‑трансмиссионной электронной микроскопии, исследовательская группа непосредственно наблюдала процесс образования и исчезновения — при приложении электрического поля — от типичных a/c‑доменов до крупномасштабной массивной структуры доменов с замкнутым полярным потоком. Было установлено, что по мере увеличения напряжённости внешнего электрического поля из исходных a‑доменов формируются новые c‑домены, которые постепенно расширяются и в конечном итоге соединяются в единый непрерывный массив крупномасштабных доменов с замкнутым полярным потоком. Этот переход является обратимым: при снижении интенсивности внешнего электрического поля такие домены с замкнутым потоком постепенно уничтожаются, и система возвращается к исходному состоянию a/c‑доменов.

Кроме того, исследователи использовали фазовое полевое моделирование для оценки изменений энергии; полученные результаты показали, что переход от а/с‑доменов к доменам с замкнутым потоком сопровождается уменьшением общей энергии, что в основном объясняется снижением электростатической энергии. Дальнейшие исследования выявили, что в более сложных многослойных пленочных системах, регулируя приложенное электрическое поле, можно достичь гораздо более тонкого контроля над процессами зарождения новых c‑доменов, их роста и формирования массивов доменов с замкнутым потоком. Экспериментальные данные свидетельствуют, что этот переход протекает чрезвычайно быстро — он может завершиться даже на временных масштабах порядка 10 мс, что предоставляет важные научные выводы и техническую поддержку для проектирования перспективных наноэлектронных устройств.

Настоящее исследование не только демонстрирует возможность управления внутренней полярной топологией в сегнетоэлектрических материалах с помощью внешнего электрического поля, но и подчёркивает важность динамических свойств и обратимости такого переключения для разработки новых типов электронных устройств. Точное управление этими топологическими структурами — их формированием, распространением и исчезновением — открывает перспективы для инноваций в таких областях, как высокоплотное хранение информации и низкопотребляющие полевые транзисторы. Данная работа закладывает основу для углублённого понимания динамики полярных топологий и их потенциала в наноэлектронных приложениях, а также указывает на возможные направления дальнейшего развития, например, на пути более эффективного проектирования и интеграции материалов со специфическими физическими свойствами в существующие электронные схемы. Полученные результаты не только расширяют наши представления о механизмах микроструктурных преобразований в сегнетоэлектриках, но и предлагают новые идеи и методы для разработки технологий, основанных на этих уникальных свойствах.

Компания «ZEPTOOLS», являясь ведущим китайским производителем высокоточных приборов отечественного производства, является одним из ведущих поставщиков решений для in situ‑характеризации с помощью электронных микроскопов и представила… ПикоФемто Серия решений для in situ‑трансмиссионной электронной микроскопии постепенно обеспечивала техническую поддержку ключевым научным достижениям отечественных и зарубежных пользователей. На нижнем рисунке представлено оборудование Zeyou Technology, использованное в рамках данного исследования: