通量全闭合的超高热稳定性研究取得重要进展

大湾区电镜中心耿皖荣博士等人利用原位透射电子显微技术揭示了铁电多层膜中通量全闭合畴的超高热稳定性。2022年11月4日，Nano Letters期刊以 “Real-Time Transformation of Flux-Closure Domains with Superhigh Thermal Stability”为题在线发表了该项研究成果。

作为一种重要的拓扑缺陷，具有闭合极化分布的通量全闭合畴组态在高密度数据存储中应用前景广阔。利用通量全闭合畴结构来存储数据可以避免数据之间的串扰，有利于数据的寻址。

研究小组设计并利用脉冲激光沉积技术制备了 PbTiO₃/SrTiO₃ 多层膜并在薄膜中设计调控出周期性的 a/c 畴结构。结合原位透射电镜的衍衬成像技术和相场模拟方法研究了边界条件对不同 PbTiO₃层中 a/c 畴向通量全闭合畴转变过程的影响。在此基础上，进一步揭示了通量全闭合畴在原位加热过程中的超高热稳定性。研究发现在原位加热—冷却过程中，具有对称边界条件的 PbTiO₃ 层会在 450°C 的冷却温度形成通量全闭合畴结构（图 1），相比于具有不对称边界条件的 PbTiO₃ 层冷却稳定温度提高了 200°C（图 2）。因此，PbTiO₃ 层的对称边界条件有利于在更高的温度稳定通量全闭合畴。值得指出的是，对于通量全闭合畴的原位加热—冷却研究发现，在加热温度为 450°C 时，通量全闭合畴仍保持较完整的畴组态（图 3）。鉴于铁电 PbTiO₃ 的居里转变温度约为 492°C，由此判断通量全闭合畴结构具有极高的热稳定性。该项工作揭示了极性拓扑畴在热场激励下的动力学行为，对设计高温环境下的拓扑电子器件提供了重要的基础信息。