南京大学今日Nature：新突破！基于硅衬底实现拓扑结构域设计，为铁电存储器助力！

【引言】

最近的发现表明，铁电极化可以形成复杂的拓扑结构，包括磁通闭合域、涡旋、极性skyrmion（斯格明子）、 merons 等。由于极化和电荷分布的不连续性，非均匀的极性纹理可能会产生与体相不同的涌现功能，在下一代电子设备中具有新应用的潜力。铁电体中的拓扑结构域由于其新颖的功能和在电子器件中的潜在应用，近年来受到了广泛的关注。例如，纳米尺寸的极性斯格明子阵列，如果它们可以轻松读取和写入，将有望用于远高于每平方英寸的超高密度记录。尽管有这些丰富的物理特性和有前景的潜在应用，但将这些拓扑纹理集成到基于硅的技术中仍然具有挑战性。到目前为止，这种拓扑极性结构仅在氧化物衬底上生长的超晶格中观察到，这限制了它们在硅基电子产品中的应用。

今日，南京大学聂越峰教授和吴迪教授，联合美国加州大学欧文分校潘晓晴教授（共同通讯作者）等人报告了在转移到硅上的钛酸铅/钛酸锶（(PbTiO₃)₂₀/(SrTiO₃)₁₀）双层中实现了室温下类skyrmion极性纳米域。此外，外部电场可以将这些纳米域可逆地转换为另一种类型的极性结构，这大大改变了它们的电阻行为。极性配置调制电阻，归因于两种极性结构核心中明显的带弯曲和电荷载流子分布。更加重要的是，在Si上集成高密度（每平方英寸超过200千兆位）可切换的斯格明子极性纳米域，可以使利用氧化物中的拓扑极性结构的非易失性存储器应用。

相关研究成果以“High-density switchable skyrmion-like polar nanodomains integrated on silicon”为题发表在Nature上。

【图文导读】

图一、基于PFM测量的PTO 20/STO 10双层中的高密度极性纳米域

利用水溶性铝酸锶（Sr₃Al₂O₆；SAO）作为牺牲层，在SrTiO₃（001）基底上生长一系列(PbTiO₃)_m/(SrTiO₃)_n(（其中m和n为晶胞的数量）双层膜。然后通过将SAO缓冲层溶解在去离子水中释放双层并层压在镀铂硅（Si）（001）衬底上（图1a ）。同时，通过矢量压电显微镜（PFM）对双层的域结构进行了表征。原始状态显示两种圆形纳米域，在图1b中以红色和蓝色圆圈突出显示，其放大的PFM图像如图1c、d所示。

图二、利用垂直PFM和4D STEM对PTO20/STO10双分子层中极性纳米域的极化映射

通过将样品顺时针旋转一组给定的角度（图2a），LPFM幅度图像中的暗线随着悬臂连续旋转，并且相位图像始终显示悬臂左侧和右侧之间的偏振的180°相位反转，这意味着面内偏振具有围绕纳米域中心的旋转对称。按照先前研究中提出的方法，本文的平面矢量PFM映射显示的红色圆圈纳米域具有中心发散模式（图2b）。结合面外和面内偏振信息，红色圆圈纳米域的极性纹理如图1c所示，表明这些红色圆圈纳米域是Néel型skyrmion状纳米域。为了确认在PFM测量中观察到的极性纹理确实是拓扑结构，还使用纳米级电子探针通过四维扫描透射电子显微镜（4D STEM）进行了偏振映射。

图三、PTO/STO双层中类skyrmion纳米域的有效哈密顿模型模拟图四、集成在硅上的极性纳米域的电阻行为

【小结】

综上所述，本文报告了在PbTiO₃/SrTiO₃中观察到两种类型（中心发散和中心收敛）的skyrmion状极性纳米域，可以通过施加外部电场相互转换。已经证明了基于这些拓扑纳米域的高密度电阻存储器，可以通过切换纳米域的类型来控制“开”和“关”状态。这种集成在硅上的极性纹理有几个独特的优点：（1）由于只有一层类skyrmion纳米域而不是多层相互作用，因此更容易通过外部电场切换每个单独的纳米域，从而实现有效的“写入”操作。此外，在没有多层纳米域之间的干扰的情况下，它可以通过PFM测量直接映射偏振模式，这实际上是一种非破坏性的“读取”操作；（2）由于它是对电阻状态的直接测量，因此这种“读取”操作可以比传统的铁电随机存取存储器快得多，传统的铁电随机存取存储器的读取过程具有破坏性，因此需要先读后写架构；（3）更重要的是，这种独特的结构可以集成在硅片上。在硅上集成高密度可切换类skyrmion极性纳米域可以实现在氧化物中使用拓扑极性结构的非易失性存储器应用。

文献链接：“High-density switchable skyrmion-like polar nanodomains integrated on silicon”(Nature，2022，10.1038/s41586-021-04338-w)

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