PRL:：PbTiO3/SrTiO3多层膜中不同偶极构型的拓扑缺陷研究

【引言】

拓扑结构和缺陷在二十世纪七十年代曾经于有序介质中被研究过，目前引起了铁电和磁性材料领域的研究人员的极大关注。由于其自由度分别是电偶极子和自旋，因而这些材料中的拓扑结构和缺陷通常包含不同类型的畴壁（DW）以及电偶极子或磁性自旋的其他构型。与最近越来越多的有关磁滑动体的制备和表征的实验报告相比，关于铁电体中偶极子复杂又独特构型的实验表征是极其有限的。

【成果简介】

西安交通大学贾春林和美国阿肯色大学Laurent Bellaiche等人报道了PTO/STO外延多层膜中电偶极子独特构型的拓扑缺陷。他们通过定量高分辨率扫描透射电子显微学技术，基于原子分辨率高角度环形暗场（HAADF）图像确定了原子位置，从而在多层PbTiO₃/SrTiO3膜的PbTiO₃层中揭示了纳米电拓扑缺陷的新颖结构，包括电偶极子波，偶极子向错和其他电拓扑缺陷。这些拓扑缺陷结构也通过原子尺度数值模拟来重现，证实并解释了这些电拓扑缺陷的存在和性质。该研究发表于Physical Review Letters，题为“Topological Defects with Distinct Dipole Configurations in PbTiO₃/SrTiO₃Multilayer Films”，第一作者为西安交通大学路璐。

【图文导读】

图1.HAADF图像与晶胞偶极子的矢量图

（a）STO基底上超晶格膜的[100] HAADF图像。插图显示了界面的放大部分和原子细节。

（b）由（a）中显示的图像确定的晶胞偶极子的矢量图，揭示了具有明显模量值的偶极子出现在PTO层（黄色区域）中。蓝色半圆表示偶极子的相似排列构型。红色框标记具有特殊偶极子排列构型的位置，这些构型被放大并示于图2和图3中。

图2. A/B局域放大图与数值模拟

（a）图1（b）中A部分的放大图，示出了具有双曲线形状（粉红-绿色区域）的极化域和具有特征为外流漩涡（红色弯曲箭头）的偶极子涡流。红色的椭圆表示一个闭合小涡流，其中面内偶极矩相对较小。（b）图1（b）中B部分的放大图，展示出PTO膜层中的偶极子波的细节。蓝色的小圆圈表示与偶极子波相关的气泡。（c）PTO薄膜在-0.6％压缩应变下，数值模拟平衡偶极子波显示出与（b）中实验观察的一致性。

图3.C局域放大图与数值模拟向错

（a）图1（b）中C部分的放大图，显示180°偶极子向错。（b）在-0.6％压缩应变的PTO薄膜中，数值模拟向错与（a）中的实验观察结果非常吻合，同系统基态相比，该向错在能量上是亚稳的。

图4.第一个PTO薄膜层中偶极的不同构型

在三个规则的双曲线区域（粉红-绿色区域）之间，显示了相同的极化方向，其中包括一个小的中心部分（绿色的小椭圆），偶极子的行为随周围环境变化。

【小结】

该研究已观察到外延STO/PTO多层膜中的偶极子排列构型，同时在实验上首次发现了纳米电偶极子波、偶极子向错和其他不同的构型。他们进一步进行的原子模拟证实并解释了这些偶极子构型的存在。尽管拓扑结构和缺陷已经在有序介质理论上被研究过，该成果预计会进一步加速对铁电体中电偶极子的复杂结构和相关性质的实验和理论研究。

文献链接：Topological Defects with Distinct Dipole Configurations in PbTiO₃/SrTiO₃Multilayer Films(Physical Review Letters 2018, DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.177601)

关于团队信息，请参考团队网站：http://jia-lab.xjtu.edu.cn。

本文由材料人计算材料组Annay供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。

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