近年來，納米尺寸的拓撲極性結構因其獨特的物理特性在電子學應用中展現出巨大的潛力，特別是在高密度信息存儲設備和低功耗場效應晶體管等領域。這些結構，如極性閉合域、渦旋、斯格明子、環形結構和布洛赫點等，通過平衡彈性能、靜電能和極化梯度能的競爭，在鐵電氧化物薄膜中得以穩定存在，引起了研究人員的廣泛關注。然而，盡管這些拓撲極性結構在理論研究和實驗探索中取得了顯著進展，但其在外界刺激下的動態演化機制仍然不夠清晰。例如，溫度、光場、電場和應變場等外部條件如何影響這些結構的相變行為，仍需要進一步的研究和解釋。此外，如何在外界刺激下實現大規模周期性拓撲極性陣列的調控，也是當前面臨的一個重要挑戰。現有的研究多集中在單個或少量拓撲結構的生成和移動上，而如何從普通的鐵電疇結構通過外部刺激生成大規模的拓撲極性陣列，仍然是一個有待解決的問題。

為了推動這些拓撲極性結構在電子器件中的實際應用，理解其在外界電場等刺激下的動態演化過程至關重要。盡管已有一些研究揭示了拓撲極性結構在電場作用下的相變行為，如極性渦旋在電場作用下轉變為極性斯格明子氣泡，或閉合域轉變為波狀態或單極化態，但這些研究多集中在單一結構的相變上，缺乏對大規模陣列生成和調控的系統性研究。此外，現有的實驗手段，如壓電力顯微鏡（PFM），雖然能夠寫入和擦除極性結構，但其分辨率限制了生成結構的尺寸，難以實現納米級別的精確調控。因此，如何在納米尺度上通過外部電場等刺激實現大規模拓撲極性陣列的可逆調控，仍然是當前研究中的一個重要難題。這一問題的解決不僅有助于深入理解拓撲極性結構的動力學行為，還將為未來的納米電子器件設計提供新的思路和方法。

針對上述問題，松山湖材料實驗室大灣區顯微科學與技術研究中心的研究人員利用了澤攸科技的原位TEM進行了深入研究，實現了鐵電極化拓撲疇結構的電場調控。相關成果以“Reversible Manipulation of Polar Topologies in Oxide Ferroelectrics via Electric Fields”為題發表在《Advanced Materials》期刊上。原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202414346

這篇論文深入探討了通過外部電場對氧化物鐵電材料中極性拓撲結構進行可逆操控的可能性，特別是針對PbTiO3/SrTiO3（PTO/STO）雙層和多層膜系統。研究團隊采用原位透射電子顯微鏡技術，直接觀察到了在施加電場條件下，從典型的a/c疇到大規模極性通量閉合疇陣列的形成與消失過程。研究發現，隨著外加電場強度的增加，新的c疇從母體a疇中生成，并逐步擴展，最終連接成一個連續的大規模通量閉合疇陣列。這種轉換是可逆的，當減少外部電場時，這些通量閉合疇逐漸被湮滅并恢復為初始的a/c疇。

圖 PbTiO3/SrTiO3雙層膜中外加電場實現鐵電全閉合疇的產生與湮滅。(a-d) 隨著外加電場的增加，a/c疇逐漸轉變成全閉合陣列。(e-f) 隨著外加電場的減小，全閉合陣列逐漸恢復為a/c疇

此外，研究人員還利用相場模擬來評估能量變化，結果表明，從a/c疇到通量閉合疇的轉換伴隨著總能量的減少，主要歸因于靜電能的降低。進一步的研究揭示，在更復雜的多層膜系統中，通過調整外加電場可以實現更加細致地控制新c疇的成核、擴展直至形成通量閉合疇陣列的過程。實驗結果顯示，這一轉換過程非常迅速，甚至可以在10毫秒的時間尺度內完成，這為未來納米電子器件的設計提供了重要的見解和技術支持。

圖 原子尺度原位STEM成像揭示a/c疇到全閉合的轉變。(a) 原子尺度原位STEM成像結合應變分析揭示外場作用下全閉合疇的產生與湮滅過程。(b-d) 電場加載下全閉合疇的極化(c)和應變(d)分布

圖 (PbTiO3/SrTiO3)5多層膜中電場加載鐵電全閉合疇的產生與湮滅過程。(a-d) 隨著外加電場的增加，可觀察到從原a疇中發生c疇的形核與長大，并逐漸轉變成全閉合陣列。(e-f) 隨著外加電場的減小，全閉合陣列逐漸恢復為a/c疇

本研究不僅展示了通過外部電場調控鐵電材料內部極性拓撲結構的可行性，而且強調了這種轉換的動態特性和可逆性對于開發新型電子設備的重要性。通過對這些拓撲結構的精確控制，包括它們的形成、擴展以及消失，有望推動高密度信息存儲和低功耗場效應晶體管等領域的創新。這項工作為進一步理解極性拓撲結構的動力學行為及其在納米電子應用中的潛力奠定了基礎，并指出了未來可能的發展方向，例如如何更有效地設計和集成這類具有特殊物理性質的材料到現有的電子電路中。這些成果不僅豐富了我們對鐵電材料內部微觀結構轉變機制的理解，也為探索基于這些特性開發新技術提供了新的思路和方法。

圖 相場模擬揭示a/c疇到全閉合的轉變過程以及相應能量的變化情況