北理工課題組在鐵電納米晶中的極化所羅門拓撲疇結構方面取得研究進展
發布日期：2023-07-17
編輯：楊婧 審核：陳棋 閱讀次數：近日，北京理工大學前沿交叉科學研究院/材料學院王靜、黃厚兵課題組在鐵電納米晶中的極化所羅門拓撲疇結構方面取得研究進展，與清華大學南策文教授團隊合作，在《Nature Communications》上發表研究成果：“Polar Solomon rings in ferroelectric nanocrystals”。通過結合壓電響應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，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和中心型四瓣疇之間可以通過電場可逆調控。進一步，作者發現這兩種類型的極化拓撲疇對太赫茲紅外光顯示出不同的吸收強度，這一特征可以被用于設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。昆明理工大學馬吉教授，中國科學院物理研究所張慶華副研究員，北京理工大學洪家旺教授，王學云副教授和張楠教授，北京師范大學張金星教授，清華大學林元華教授，谷林教授和易迪助理教授以及賓夕法尼亞州立大學陳龍慶教授也參與了研究和討論。北京理工大學前沿交叉科學研究院/材料學院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），郭常青，清華大學博士生王玥為合作者。
所羅門鏈/環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。所羅門環由兩部分(紅環和藍環)組成，形成四個交叉點，在數學上被描述為412鏈，是數學扭結理論中的拓撲結構之一。近年來，這種基于紐結理論的拓撲結構在自然界或人工構建的結構中被廣泛觀察到，例如，在生物/化學分子、液晶、量子物質等，有三葉結、霍普夫鏈、所羅門環等。
圖1.BiFeO3納米晶中的極化所羅門環。
在該工作中，研究學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結構的極化所羅門拓撲疇結構。該結構由兩個渦旋環組成，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的拓撲特性。
通過相場模擬分析，研究學者表征了極化所羅門環的拓撲特性。通過計算納米島各層中疇結構的三維極化分布，驗證了納米島極化所羅門環的存在，并通過計算極化纏繞數驗證其拓撲特性。
圖3. BiFeO3納米晶中極化所羅門與中心型拓撲疇結構之間的電致拓撲相變。
在此基礎上，研究者通過電場調控，使BiFeO3納米晶發生從極化所羅門環到中心型四瓣疇的可逆拓撲疇相轉變。
圖4.BiFeO3納米晶中不同拓撲疇結構的紅外吸收性能。
圖5.電場調控納米晶疇結構后的紅外光顯示圖案。
研究者探究了極化所羅門環結構與中心型拓撲疇結構對太赫茲紅外光吸收性能的差別，并通過電場調控納米晶的紅外吸收性能。通過納米紅外方法表征兩種拓撲疇結構對太赫茲紅外光的吸收情況，發現所羅門環結構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控BiFeO3納米晶陣列疇結構類型，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，北京理工大學前沿交叉科學研究院副研究員。主要從事鐵電及多鐵性復雜氧化物薄膜/異質結的外延生長，疇結構演化機理及多場耦合調控方面的研究。發表論文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，北京理工大學前沿交叉科學研究院教授，博士生導師。主要從事相場模擬材料微觀結構演化研究，在Nature, Science, Adv. Mater., Adv. Func. Mater., Acta Mater., Sci. Bull.等期刊發表SCI論文110余篇，多次在國際大會作邀請報告。所開發的模型源代碼已集成于商業軟件μ-Pro。黃厚兵特別研究員先后主持自然科學基金面上和青年項目、科技部重點研發計劃子任務、北京市“青年托舉工程”等5項。擔任“相場與集成計算材料工程會議”理事會常務理事、中國硅酸鹽學會青年工作委員會委員、北京市硅酸鹽學會理事和Adv. Mater. Dev. 青年編委等。
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