Полярные топологические структуры обладают большим потенциалом применения в таких областях, как высокоплотная память и новые типы электронных устройств, и являются одним из ключевых направлений исследований сегнетоэлектрических материалов. Изучение влияния внешних полей — например, электрического поля и механического напряжения — на топологические полярные структуры, а также соответствующих динамических процессов имеет решающее значение для их практического применения. В последние годы, благодаря развитию технологий выращивания материалов и методов микроскопической характеристики, путём регулирования условий механического напряжения и электрического поля в сегнетоэлектрических материалах исследователи смогли создать в сложных оксидных сверхрешётках и сегнетоэлектрических тонких плёнках множество различных полярных топологических структур, таких как полярный вихрь (Polar Vortex), полярная вершина (Polar Vertex), полярный скирмион (Polar Skyrmion) и полярный мерон (Polar Meron). Эти полярные топологические структуры перспективны для использования в устройствах памяти сверхвысокой плотности. Результаты соответствующих исследований:

1. Nat. Commun. 2020, 11, 1840

2. Proc. Natl. Acad. Sci. 2020, 117, 18954

3. Phys. Rev. Lett. 2022, 129, 107601

4. Nature Materials, 2020, 19(8): 881–886

В последнее время профессор Гао Пэн из Пекинского университета совместно с соавторами исследовали динамические свойства отдельных полярных топологических структур, используя в качестве модели тройную вершину полярности. Тройные вершины полярности обычно стабильно существуют лишь на изоляционных подложках; однако такие подложки затрудняют эффективное приложение электрического поля, что лишает возможности проводить его регулирование. Авторы воспользовались спонтанной взаимной диффузией элементов на границе раздела для управления степенью экранирования поляризационного заряда на этой границе, обеспечив одновременно стабильность соответствующей полярной топологии и возможность приложения электрического поля. Кристаллическая структура и распределение элементов на границе PbTiO3/SrRuO3 свидетельствуют о том, что атомы титана диффундировали в SrRuO3, частично замещая рутений, что привело к образованию на границе PbTiO3/SrTiO3 изоляционного слоя SrTiO3 толщиной около двух элементарных ячеек (рис. 2), создав необходимые граничные условия электрического поля для формирования тройной вершины полярности. В то же время относительно тонкий слой SrTiO3 обеспечивает условия, позволяющие прикладывать электрическое поле к ферроэлектрической пленке через зонд и нижний электрод из SrRuO3. Кроме того, анализируя ситуацию с точки зрения решёточной несоответствия, авторы полагают, что растягивающее напряжение, возникающее в результате использования подложки из DyScO3, также создаёт необходимые механические граничные условия для образования тройной вершины полярности. Результаты фазового моделирования подтвердили роль слоя SrTiO3.

В дальнейшем они с помощью методов in situ‑трансмиссионной электронной микроскопии исследовали возникновение и движение изолированных вершин тройственной полярности под действием электрического поля. Как показано на рисунке ниже, для этого была использована система электроизмерений при помощи in situ‑трансмиссионного электронного микроскопа, произведённая компанией «Аньхой Цзэюй Технологии»… Пико Фемто ®Серия продуктов для in situ‑электрических измерений на сканирующих зондовых трансмиссионных электронных микроскопах: вольфрамовый наконечник, выступающий в роли верхнего электрода, подаёт смещённое напряжение на PbTiO3, а нижний электрод — SrRuO3 — заземлён; в режиме реального времени наблюдалась эволюция доменной структуры под действием электрического поля (рис. 3). Было установлено, что при распространении индуцированной электрическим полем 180°‑доменной стенки до границы раздела начинается зарождение тройных полярных вершин. Затем изолированные тройные полярные вершины под воздействием внешнего электрического поля перемещаются вперёд и назад вдоль 180°‑доменной стенки со скоростью порядка 629 нм/с. Моделирование методом фазового поля воспроизвело процессы зарождения и движения изолированных тройных полярных вершин под действием электрического поля. Полученные результаты демонстрируют способность изолированных тройных полярных вершин к движению под влиянием электрического поля и предоставляют важную информацию о динамических свойствах отдельных полярных топологических структур и их возможных применениях.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications под названием «Управление электрическим полем процессов зародышевого образования и движения изолированных трёхкратных полярных вершин». Профессор Гао Пэн из Факультета физики Пекинского университета выступил научным руководителем статьи, а магистрант Пекинского университета Ли Минцян — её первым автором. В числе соавторов — группа профессора Ин‑Хао Чу из Тайваньского университета Янмин, группа профессора Лон‑Цина Чэна из Университета штата Пенсильвания, а также группа исследователя Бай Сюэдуна из Института физики Китайской академии наук и другие.

Ссылка на оригинал: https://www.nature.com/articles/s41467-022-33973-8