2020 年度新知答主
近期，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心马秀良研究团队成功澄清了斯格明子的临界尺寸问题。这一结果是继2015年发现通量全闭合(Science)、2020年发现麦纫(NatureMaterials)、2021年发现电偶极子波(ScienceAdvances)之后，该研究团队在有关铁电材料拓扑畴组态方面的又一项重要突破。这一发现为铁磁材料类比的结构特性提供了新的实质性内容，并为探索以铁电薄膜为基的电子器件提供了新的参考和借鉴。2023年6月8日，NatureCommunications在线发表了该研究成果，题为“Absence ofcritical thicknessfor polarskyrmionswith breakingtheKittel’slaw”。此项工作由马秀良、朱银莲、唐云龙、宫风辉、王宇佳、陈雨亭等人共同设计和完成。
进入后摩尔时代，电子器件的设计和制造面临着临界尺寸问题。特别是在信息存储领域，铁电薄膜的临界厚度问题备受关注。以前认为铁电性在铁电薄膜的临界厚度以下会减弱甚至消失，但最近的精密实验表明，某些铁电薄膜几乎不存在临界厚度限制。例如，一个单胞厚度的BiFeO3薄膜。这一发现激发了人们对新型极性拓扑结构临界厚度问题的研究想象。因此，明确斯格明子的临界厚度问题对于以斯格明子为基础的电子器件设计和研发具有重要意义。
这项工作不仅证实了著名的Kittel定律在含有斯格明子的超薄PbTiO3/SrTiO3超晶格中并不成立，而且还发现斯格明子可以在两个单胞厚的PbTiO3/SrTiO3超晶格和双层膜中保持。实验和理论结果都表明，超晶格中斯格明子周期(d)和单一PbTiO3层的厚度(h)服从双曲函数d=Ah+B/h，而非平方根定律。相场分析表明，异常的周期-厚度关系主要取决于块体能、弹性能、静电能和梯度能之间的相互竞争。这一发现澄清了自九十年代以来铁电材料领域关注的拓扑结构临界尺寸研究中的一个重要基础性科学问题。
这项工作进一步完善了铁电材料中拓扑畴的内涵，揭示了极化体系中斯格明子的极限尺寸问题。这对于设计和研发基于铁电材料的信息存储等功能的电子器件具有重要的意义。同时，极限尺寸下的拓扑结构以时空间的形式出现，表明具有亚埃尺度分辨能力的像差校正透射电子显微术是科学家认识物质结构和自然规律的有力工具。
图1.(a-p)一系列不同厚度的PbTiO3/SrTiO3超晶格的截面视场衍射衬度像及其对应的倒易空间图。(插图)选区电子衍射花样中单个衍射斑点的局部放大图像。
图2.(a-c)实验和理论计算均表明，斯格明子周期与单一PbTiO3层的厚度呈(a-c)所示关系;(d)在斯格明子晶格模型中，不同厚度的SrTiO3/PbTiO3/SrTiO3三层膜的总能量密度曲线确定斯格明子的最佳周期。
图3.(a-g)实验和计算结果证实，斯格明子能够在[(PbTiO3)n/(SrTiO3)n]10(n=4, 2u.c.)超薄超晶格中维持稳定。
图4.(a-c)展示了斯格明子的拓扑数。(d)是[(PbTiO3)7/(La0.7Sr0.3MnO3)7]10超晶格的倒易空间图。(e)是紫外吸收测量。(f)展示了不同厚度超晶格的矫顽电压。
本文作者：中科院金属所。
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