利用界面对称性实现铁电极化拓扑畴的精准调控

近日，松山湖材料实验室大湾区显微科学与技术研究中心马秀良团队在铁电极化拓扑畴调控方面取得了重要进展，研究团队通过巧妙地设计异质薄膜界面的对称性，成功实现了铁电极化布洛赫点(Bloch point)和半子(meron)结构的精准调控。相关成果于2025年6月23日在线发表于《Advanced Functional Materials》期刊上。

铁电极化拓扑畴具有纳米级三维尺寸，展现出拓扑保护、负电容、电导等特殊功能特性，在高密度、非易失性、低功耗信息存储器领域具有广泛的应用前景。然而，铁电拓扑畴的精准调控，尤其是在电子器件架构中如何稳定铁电极化拓扑畴仍面临挑战，因为在电子器件中不可避免受到异质界面的影响。

该研究团队在前期工作(Nature Materials, 2020；Nature Communications, 2024)的基础上，利用脉冲激光沉积技术在SmScO₃衬底上生长了具有对称性界面的PbTiO₃/SmScO₃双层膜与(PbTiO₃/SmScO₃)₅超晶格以及具有非对称性界面的SrRuO₃/PbTiO₃和SrRuO₃/PbTiO₃/ SmScO₃薄膜，利用像差校正透射电子显微镜观察到对称性界面能有效稳定极化布洛赫点（图1），而非对称界面则更有利于极化半子拓扑畴的形成（图2）。相场模拟进一步揭示，这两种拓扑畴的稳定主要受到弹性能和静电能的影响，并且论证了不同薄膜之间的功函数差异在PbTiO₃层内产生不同的内建电场，导致铁电极化发生择优排列，从而影响拓扑畴的形成与稳定（图3）。此外，压电力显微镜测试表明，极化布洛赫点的稳定能显著提高铁电薄膜的压电性能（图4）。本项工作揭示了界面对称性与拓扑畴极化对称性之间的强耦合关系，提出了一种基于异质界面调控铁电极化拓扑畴的新思路，为新型拓扑畴的调控以及不同拓扑畴之间的三维集成提供了新的方法。

松山湖材料实验室大湾区显微科学与技术研究中心的冯燕朋副研究员为论文第一作者，马秀良研究员和朱银莲研究员为论文共同通讯作者，该研究工作得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、广东省量子专项基金等项目的资助。

图1：PbTiO₃/SmScO₃双层膜中的极化布洛赫点

图2：SrRuO₃/PbTiO₃薄膜中的极化半子结构

图3：相场模拟揭示极化布洛赫点和半子的形成机制

图4：压电力显微镜揭示极化布洛赫点显著提高薄膜的压电性能

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202510402