北理工課題組在鐵電納米晶中的極化所羅門拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu)方面取得研究進(jìn)展
發(fā)布日期：2023-07-17
編輯：楊婧 審核：陳棋 閱讀次數(shù)：近日，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院/材料學(xué)院王靜,、黃厚兵課題組在鐵電納米晶中的極化所羅門拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu)方面取得研究進(jìn)展,，與清華大學(xué)南策文教授團(tuán)隊合作,，在《Nature Communications》上發(fā)表研究成果：“Polar Solomon rings in ferroelectric nanocrystals”。通過結(jié)合壓電響應(yīng)力顯微鏡和相場模擬，作者在鐵電納米晶中觀察到極性所羅門環(huán),，它由兩個相互纏繞的三維極化渦旋組成,，并且作者證明極化所羅門環(huán)和中心型四瓣疇之間可以通過電場可逆調(diào)控。進(jìn)一步,，作者發(fā)現(xiàn)這兩種類型的極化拓?fù)洚爩μ掌澕t外光顯示出不同的吸收強(qiáng)度,，這一特征可以被用于設(shè)計具有納米級分辨率的紅外光顯示器。該論文第一作者為王靜副研究員,、梁德山博士后和清華大學(xué)馬靜副教授,，通訊作者為黃厚兵教授和南策文教授。昆明理工大學(xué)馬吉教授,，中國科學(xué)院物理研究所張慶華副研究員,，北京理工大學(xué)洪家旺教授，王學(xué)云副教授和張楠教授,，北京師范大學(xué)張金星教授，清華大學(xué)林元華教授,，谷林教授和易迪助理教授以及賓夕法尼亞州立大學(xué)陳龍慶教授也參與了研究和討論,。北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院/材料學(xué)院Hasnain Mehdi Jafri博士后（已出站），碩士生樊源源,，楊華宇,，董守哲，博士生劉迪（已畢業(yè)）,，郭常青,，清華大學(xué)博士生王玥為合作者。
所羅門鏈/環(huán)以所羅門王的名字命名,，有著深厚的歷史淵源,，被廣泛用于古代建筑和服裝的裝飾。所羅門環(huán)由兩部分(紅環(huán)和藍(lán)環(huán))組成,，形成四個交叉點,，在數(shù)學(xué)上被描述為412鏈，是數(shù)學(xué)扭結(jié)理論中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一,。近年來,，這種基于紐結(jié)理論的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在自然界或人工構(gòu)建的結(jié)構(gòu)中被廣泛觀察到，例如,，在生物/化學(xué)分子,、液晶、量子物質(zhì)等,，有三葉結(jié),、霍普夫鏈、所羅門環(huán)等,。
圖1.BiFeO3納米晶中的極化所羅門環(huán),。
在該工作中,，研究學(xué)者通過壓電力顯微鏡，在自組裝BiFeO3納米晶中觀察到了具有412結(jié)構(gòu)的極化所羅門拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu),。該結(jié)構(gòu)由兩個渦旋環(huán)組成,，其一為R1–→R4+→R3–→R2+的渦旋，另一為R1+→R4–→R3+→R2–的渦旋,。兩種渦旋相互扭抱,，且在三維空間形成四個交點。
圖2.相場模擬表征極化所羅門環(huán)的拓?fù)涮匦浴?/span>
通過相場模擬分析,，研究學(xué)者表征了極化所羅門環(huán)的拓?fù)涮匦?。通過計算納米島各層中疇結(jié)構(gòu)的三維極化分布，驗證了納米島極化所羅門環(huán)的存在,，并通過計算極化纏繞數(shù)驗證其拓?fù)涮匦浴?/p>
圖3. BiFeO3納米晶中極化所羅門與中心型拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu)之間的電致拓?fù)湎嘧儭?/span>
在此基礎(chǔ)上,，研究者通過電場調(diào)控，使BiFeO3納米晶發(fā)生從極化所羅門環(huán)到中心型四瓣疇的可逆拓?fù)洚犗噢D(zhuǎn)變,。
圖4.BiFeO3納米晶中不同拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu)的紅外吸收性能,。
圖5.電場調(diào)控納米晶疇結(jié)構(gòu)后的紅外光顯示圖案。
研究者探究了極化所羅門環(huán)結(jié)構(gòu)與中心型拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu)對太赫茲紅外光吸收性能的差別,，并通過電場調(diào)控納米晶的紅外吸收性能,。通過納米紅外方法表征兩種拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu)對太赫茲紅外光的吸收情況，發(fā)現(xiàn)所羅門環(huán)結(jié)構(gòu)對紅外光的吸收能力低于中心型四瓣疇,。隨后通過外加電場調(diào)控BiFeO3納米晶陣列疇結(jié)構(gòu)類型,，在納米紅外吸收圖像中顯示出”BIT”字樣，可以用于納米級分辨率的紅外顯示器,。
論文詳情：
Jing Wang#, Deshan Liang#, Jing Ma#, Yuanyuan Fan, Ji Ma, Hasnain Mehdi Jafri, Huayu Yang, Qinghua Zhang, Yue Wang, Changqing Guo, Shouzhe Dong, Di Liu, Xueyun Wang, Jiawang Hong, Nan Zhang, Lin Gu, Di Yi, Jinxing Zhang, Yuanhua Lin, Long-Qing Chen, Houbing Huang* & Ce-Wen Nan*, Polar Solomon rings in ferroelectric nanocrystals, Nat. Commun 14:3941 (2023).
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-39668-y
論文連接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39668-y
附作者簡介：
王靜,，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院副研究員。主要從事鐵電及多鐵性復(fù)雜氧化物薄膜/異質(zhì)結(jié)的外延生長,，疇結(jié)構(gòu)演化機(jī)理及多場耦合調(diào)控方面的研究,。發(fā)表論文60余篇，包含Nat. Commun., Adv. Mater., Acta Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces 等,。主持國家自然科學(xué)基金青年項目,，中國博士后項目，為JAD首屆青年編委,。
黃厚兵,，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院教授，博士生導(dǎo)師,。主要從事相場模擬材料微觀結(jié)構(gòu)演化研究,，在Nature, Science, Adv. Mater., Adv. Func. Mater., Acta Mater., Sci. Bull.等期刊發(fā)表SCI論文110余篇，多次在國際大會作邀請報告。所開發(fā)的模型源代碼已集成于商業(yè)軟件μ-Pro,。黃厚兵特別研究員先后主持自然科學(xué)基金面上和青年項目,、科技部重點研發(fā)計劃子任務(wù)、北京市“青年托舉工程”等5項,。擔(dān)任“相場與集成計算材料工程會議”理事會常務(wù)理事,、中國硅酸鹽學(xué)會青年工作委員會委員、北京市硅酸鹽學(xué)會理事和Adv. Mater. Dev. 青年編委等,。
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