面對(duì)大數(shù)據(jù)和AI時(shí)代的到來，科學(xué)家正努力尋找新型存儲(chǔ)技術(shù)，以應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)的爆炸式增長(zhǎng)。近年來，一類具有拓?fù)錁?gòu)型的鐵電結(jié)構(gòu)“鐵電拓?fù)洹币鹆丝茖W(xué)家們的注意。小于10納米的尺寸、極佳的穩(wěn)定性和一系列迷人的物理特性，讓科學(xué)家看到了它們作為存儲(chǔ)介質(zhì)的潛力，看好它們?cè)诔呙芏取⒌凸牡臄?shù)據(jù)存儲(chǔ)等方面的廣泛應(yīng)用前景。
將鐵電拓?fù)鋺?yīng)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，其關(guān)鍵在于探明其變化機(jī)理和調(diào)控方法。浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張澤院士、田鶴教授團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院洪子健研究員及浙江大學(xué)物理學(xué)院謝燕武教授等合作，系統(tǒng)研究了鐵電拓?fù)涞臒嶂峦負(fù)湎嘧円?guī)律，并通過設(shè)計(jì)熱激發(fā)路徑實(shí)現(xiàn)了不同鐵電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)間的穩(wěn)定切換。這一發(fā)現(xiàn)推進(jìn)了人們對(duì)于鐵電拓?fù)湎喾€(wěn)定機(jī)制的了解，為進(jìn)一步探索鐵電拓?fù)湎到y(tǒng)的復(fù)雜相平衡，以及設(shè)計(jì)基于鐵電拓?fù)涞奈⒓{電子學(xué)器件提供了方案。評(píng)審專家認(rèn)為：“這項(xiàng)工作揭示了鐵電材料中與形成拓?fù)淠Ｊ较嚓P(guān)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜性”；“使得鐵電拓?fù)淦骷芯植可踔燎袚Q單個(gè)拓?fù)鋯卧蔀榭赡堋薄?/span>
該研究成果于北京時(shí)間2025年1月8日，被國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature Physics》在線刊登。浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院童沛然博士為第一作者，周麟銘博士和杜凱博士為共同第一作者。浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院田鶴教授為通訊作者，浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院洪子健研究員、浙江大學(xué)物理學(xué)院謝燕武教授、鄭州大學(xué)物理學(xué)院郭海中教授為共同通訊作者。團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人張澤院士對(duì)此工作給予了重要指導(dǎo)和支持。浙江大學(xué)為該論文的第一單位。
鐵電材料中的“拓?fù)?/span>”
“拓?fù)洹爆F(xiàn)象廣泛存在我們的生活中。從概念上說，“拓?fù)洹泵枋隽藥缀螆D形在連續(xù)變換形狀后保持不變的性質(zhì)。讓我們想象將一塊正方體的吐司作連續(xù)的變形：它能夠變成球體或長(zhǎng)條狀，但無法變成帶孔的甜甜圈形狀——因此吐司和甜甜圈在“拓?fù)洹吧鲜遣煌摹Ｔ谀蹜B(tài)物質(zhì)中，這種現(xiàn)象同樣常見。如超導(dǎo)/超流體中的渦旋型激發(fā)、鐵磁材料中的磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、在動(dòng)量空間中與量子霍爾效應(yīng)息息相關(guān)。
鐵電材料具有自發(fā)極化，具有不同極化方向的區(qū)域被稱為“鐵電疇”。近年來，一類有別于傳統(tǒng)“鐵電疇”概念，具有拓?fù)錁?gòu)型的鐵電結(jié)構(gòu)引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注，如鐵電渦旋、鐵電斯格明子、鐵電半子。田鶴介紹，這些鐵電拓?fù)渚哂胸S富的拓?fù)錁?gòu)型、數(shù)納米的空間尺寸和優(yōu)異的室溫穩(wěn)定性。同時(shí)，一系列新穎的物理性質(zhì)如導(dǎo)電性、負(fù)電容、手性的發(fā)現(xiàn)，使鐵電拓?fù)溲杆俪蔀槟蹜B(tài)物理和電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
在科學(xué)家眼中，這些具有極小尺寸的鐵電拓?fù)溆绕浔黄诖鳛楦呙芏入娮悠骷械墓δ軉卧?/span>。早在2004年就有科學(xué)家預(yù)測(cè)，約4納米尺寸的鐵電渦旋能夠?qū)崿F(xiàn)60 Tbit/in2的存儲(chǔ)密度，提升現(xiàn)今的鐵電存儲(chǔ)器存儲(chǔ)密度四個(gè)數(shù)量級(jí) [Nature, 432, 737-740 (2004)]。但重要前提在于如何實(shí)現(xiàn)鐵電拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)調(diào)控。例如：在存儲(chǔ)器中，需要實(shí)現(xiàn)不同拓?fù)錉顟B(tài)間的精準(zhǔn)切換，作為數(shù)據(jù)的載體。2023年，田鶴研究團(tuán)隊(duì)在Nature發(fā)文闡述了帶電疇壁的創(chuàng)建和精確控制，此次Nature Physics的論文則致力于回答如何實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的精確控制。
圖 鐵電疇壁和鐵電拓?fù)?/span>
鐵電拓?fù)涞恼{(diào)控
然而，以拓?fù)洹坝^”鐵電，其相變過程復(fù)雜而難以捉摸。評(píng)審專家說：“在鐵電拓?fù)湎到y(tǒng)中識(shí)別這些穩(wěn)定和亞穩(wěn)態(tài)十分困難，并且外部刺激影響該系統(tǒng)熱力學(xué)動(dòng)力學(xué)的方式十分復(fù)雜。”“雪上加霜”的是，鐵電拓?fù)鋬H能穩(wěn)定在十分嚴(yán)苛的競(jìng)爭(zhēng)平衡條件下，很難通過外部刺激進(jìn)行切換。例如，電或力誘導(dǎo)產(chǎn)生的拓?fù)湎嘧兺ǔＴ谝迫ネ獠看碳ず笱杆倩謴?fù)。難以穩(wěn)定調(diào)控鐵電拓?fù)洌呀?jīng)成為鐵電拓?fù)涞膽?yīng)用和發(fā)展所面臨的巨大挑戰(zhàn)。
如何調(diào)控這些結(jié)構(gòu)？田鶴教授認(rèn)為，既然鐵電拓?fù)洚a(chǎn)生于復(fù)雜的競(jìng)爭(zhēng)條件，我們就需要相應(yīng)地尋找一種有能力同時(shí)介入不同參量競(jìng)爭(zhēng)的調(diào)控方法。對(duì)于鐵電材料而言，溫度的改變將導(dǎo)致材料的熱膨脹或收縮，即引入可調(diào)的應(yīng)力應(yīng)變；同時(shí)溫度將影響鐵電材料中極化的大小和電荷分布行為——這些正是穩(wěn)定鐵電拓?fù)涞年P(guān)鍵條件。
“鐵電拓?fù)鋬H有幾個(gè)納米，極化演變的尺度更是在皮米級(jí)別，這對(duì)在熱場(chǎng)下觀察它們的相變動(dòng)態(tài)過程提出了極大的挑戰(zhàn)。”論文第一作者浙江大學(xué)童沛然博士說到，“課題組多年以來積累、應(yīng)用和開發(fā)的一系列方法，使我們能夠在原子級(jí)尺度，在熱、電、力、液體等條件下研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)演化和性能變化。”
繪制鐵電拓?fù)涞臒帷跋鄨D”
“我們首先要搞清楚鐵電拓?fù)溥@個(gè)系統(tǒng)的相演化規(guī)律，了解熱致拓?fù)湎嘧冞^程，了解哪些參數(shù)在相變過程中起到主導(dǎo)作用”，田鶴教授說。描繪相平衡系統(tǒng)的相圖是研究和了解該體系需要解決的核心問題。
這項(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)以最經(jīng)典的鐵電拓?fù)潴w系，即生長(zhǎng)于DyScO3襯底上的PbTiO3/SrTiO3超晶格為研究模板。調(diào)整樣品的生長(zhǎng)參數(shù)，能夠得到一系列具有不同競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)的初始拓?fù)湎唷Ｍㄟ^原位電子顯微學(xué)方法，可以在原子尺度研究和記錄這些不同初始拓?fù)湎嚯S溫度的演變過程，充分理解和揭示這一系統(tǒng)中拓?fù)滢D(zhuǎn)變的復(fù)雜性，同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)整體的演化規(guī)律。
圖 鐵電拓?fù)錈嶂孪嘧冞^程的原位觀測(cè)
“隨著溫度變化，體系的應(yīng)變、極化和晶格都呈現(xiàn)非單調(diào)性的變化。這意味著不同參量間不僅相互競(jìng)爭(zhēng)，且共同主導(dǎo)著鐵電拓?fù)湎嘧冞^程”，童沛然博士說，“這些參量變化的奇異點(diǎn)也對(duì)應(yīng)著拓?fù)湎嗟霓D(zhuǎn)變點(diǎn)。”論文的共同通訊作者，浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院洪子健研究員通過相場(chǎng)模擬也發(fā)現(xiàn)，在鐵電拓?fù)湎嘧冞^程中，系統(tǒng)的彈性能、朗道能、梯度能等能量均隨著溫度產(chǎn)生變化。
圖 熱致鐵電拓?fù)湎嘧冞^程的各參數(shù)演化和能量演化
實(shí)現(xiàn)鐵電拓?fù)涞那袚Q
基于對(duì)熱致鐵電拓?fù)湎嘧円?guī)律的認(rèn)識(shí)，研究團(tuán)隊(duì)能夠在不同溫度得到具有不同競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)的高溫亞穩(wěn)拓?fù)湎唷Ｋ麄冞M(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，不同的高溫狀態(tài)將影響降溫時(shí)的拓?fù)溲莼窂?/span>，使得通過熱激發(fā)實(shí)現(xiàn)鐵電拓?fù)涞姆€(wěn)定切換成為可能。
以(PbTiO3)10/(SrTiO3)10超晶格為例。初始的穩(wěn)定拓?fù)湎酁橹芷谛缘囊痪S鐵電渦旋陣列。將該渦旋結(jié)構(gòu)加熱到特定溫度再降到室溫，即經(jīng)過熱處理后，能夠分別切換至不同的室溫拓?fù)洌鐦O化波，甚至零維的拓?fù)涔伦咏Y(jié)構(gòu)。若激發(fā)至500攝氏度以上，又能夠重新在室溫得到初始渦旋結(jié)構(gòu)。這意味著：研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了鐵電拓?fù)涞姆€(wěn)定切換，甚至多態(tài)切換。
圖 基于熱激發(fā)的多種鐵電拓?fù)溟g的穩(wěn)定切換
通過引入溫度場(chǎng)以在宏觀尺度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的應(yīng)變、極化等參量，已經(jīng)被證明是能夠調(diào)控鐵電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有效手段。為了所期待的基于鐵電拓?fù)涞碾娮訉W(xué)應(yīng)用，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過脈沖激光產(chǎn)生的局域梯度熱場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了不同范圍的局域拓?fù)錉顟B(tài)切換。這一發(fā)現(xiàn)，結(jié)合先進(jìn)的熱存儲(chǔ)解決方案，如熱輔助磁記錄、相變存儲(chǔ)器的成功案例，使得創(chuàng)造基于這些極小尺寸鐵電拓?fù)涞某呙芏入娮訉W(xué)器件成為可能。
結(jié)語(yǔ)
這項(xiàng)工作系統(tǒng)研究了鐵電拓?fù)涞臒嶂峦負(fù)湎嘧儭＠迩逶撓到y(tǒng)中眾多亞穩(wěn)拓?fù)湎嗟漠a(chǎn)生和相變路徑，為人們理解鐵電拓?fù)湎嘧兊膭?dòng)力學(xué)行為提供了重要基礎(chǔ)。文中提出的熱策略一方面為探索拓?fù)湎嗥胶猓苿?dòng)發(fā)現(xiàn)和研究新的拓?fù)湎嗉捌湫路f的物理特性提供了方法；一方面為設(shè)計(jì)基于鐵電拓?fù)涞母呙芏裙δ芷骷峁┝朔桨浮?/span>
該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金、區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金（重點(diǎn)）、浙江省自然科學(xué)基金、浙江大學(xué)、浙江大學(xué)電子顯微鏡中心、硅及先進(jìn)半導(dǎo)體材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的共同資助和支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41567-024-02729-0
