北理工團(tuán)隊(duì)在力學(xué)調(diào)控拓?fù)滂F電疇研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2024-01-09 供稿：宇航學(xué)院 王學(xué)云 攝影：王學(xué)云
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近日,，北京理工大學(xué)王學(xué)云,，洪家旺團(tuán)隊(duì)在力學(xué)調(diào)控拓?fù)滂F電疇研究中取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以“Mechanical Manipulation for Ordered Topological Defects”為題,，發(fā)表于國(guó)際權(quán)威期刊Science Advances期刊,。研究團(tuán)隊(duì)建立了一種殘余應(yīng)力的力學(xué)調(diào)控策略，針對(duì)拓?fù)滂F電疇結(jié)構(gòu),，通過(guò)納米壓痕引入應(yīng)力與晶格相互作用的馬格努斯力,，使鐵電單晶中的渦旋疇呈現(xiàn)六重對(duì)稱(chēng)的分布，進(jìn)而拓展壓痕至劃痕,，通過(guò)納米劃痕將隨機(jī)分布的渦旋疇調(diào)控成大面積（50 μm ′ 500 μm）,、高密度（周期 400 nm）、單一手性平行條紋疇,，解決了受拓?fù)浔Ｗo(hù)的鐵電疇難以在室溫局域精準(zhǔn)調(diào)控的難題,，為其他鐵電、鐵磁和鐵彈等鐵性材料的疇調(diào)控及應(yīng)用提供新思路,。
拓?fù)淙毕?，作為一種具有拓?fù)浔Ｗo(hù)的微結(jié)構(gòu)，是研究體系對(duì)稱(chēng)性與序參量演變的重要載體,。在鐵電領(lǐng)域,，拓?fù)洚?疇壁結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出新奇物理現(xiàn)象,，形成了穩(wěn)定的荷電疇壁，展現(xiàn)出半波整流效應(yīng),、高頻交流導(dǎo)電特性等潛在應(yīng)用前景,，在多態(tài)存儲(chǔ)器和納米電子器件中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。因此,，對(duì)拓?fù)滂F電渦旋疇的空間有序度進(jìn)行有效操控至關(guān)重要,。然而，由于該類(lèi)型鐵電疇結(jié)構(gòu)受到拓?fù)浔Ｗo(hù)作用,，通過(guò)電場(chǎng),、溫度場(chǎng)等手段難以實(shí)現(xiàn)對(duì)渦旋疇的精確調(diào)控。
在此基礎(chǔ)上,，研究團(tuán)隊(duì)在室溫下嘗試通過(guò)納米壓痕法,，在單晶晶面引入應(yīng)變（圖1）。經(jīng)過(guò)熱動(dòng)力學(xué)處理,，發(fā)現(xiàn)圍繞壓坑附近的渦旋疇重新排列,，呈六重對(duì)稱(chēng)性分布。為揭示其隱藏的機(jī)理,，研究團(tuán)隊(duì)引入了應(yīng)變場(chǎng)與渦旋-反渦旋位置之間的相互作用能,，得到作用在渦旋中心和反渦旋中心的馬格努斯力。在馬格努斯力的作用下,，渦旋中心和反渦旋中心反向分離,。
圖1 納米壓痕調(diào)控LuMnO3單晶渦旋疇重新分布
基于納米壓痕單點(diǎn)調(diào)控局域渦旋疇分布的機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)采用納米劃痕法,，擴(kuò)大了渦旋疇的調(diào)控范圍（圖2）,，在劃痕調(diào)控渦旋疇分布策略的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了兩條反平行分布的劃痕,。實(shí)現(xiàn)了50 mm寬，周期為400 nm的單一手性高密度條紋疇,，并且分布范圍可以隨著劃痕的長(zhǎng)度延長(zhǎng)至整個(gè)單晶長(zhǎng)度,。為了揭示納米劃痕引入的應(yīng)變分布狀態(tài)，研究團(tuán)隊(duì)采對(duì)劃痕附近的應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行表征,，結(jié)果表明面內(nèi)應(yīng)變的分布范圍比面外應(yīng)變分布范圍大三個(gè)數(shù)量級(jí),，因此面內(nèi)應(yīng)變分布在力學(xué)調(diào)控拓?fù)湮⒔Y(jié)構(gòu)構(gòu)型與有序度的過(guò)程中起著主要作用。
圖2 納米劃痕調(diào)控形成的高密度條紋疇
宇航學(xué)院2019級(jí)博士生高子巖為第一作者,，王學(xué)云副教授,、洪家旺教授為共同通訊作者，北京理工大學(xué)為論文第一單位,，黃厚兵教授,、陳亞彬教授,、靳柯教授、劉戰(zhàn)偉教授,、曲兆亮副教授等對(duì)該研究工作給予了重要指導(dǎo)和幫助,。該研究工作還得到了北京大學(xué)、清華大學(xué),、北京工業(yè)大學(xué),、中科院半導(dǎo)體所等合作單位提供的重要支持與協(xié)助。該研究工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃“功能基元序構(gòu)的高性能材料基礎(chǔ)研究”培育項(xiàng)目的支持,，同時(shí)受到科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,、北京市自然科學(xué)基金的資助。
全文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi5894
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