分析测试中心助力我校张溢/郑跃团队在极性微结构及其动力学方向取得系列成果

发布人：张博琳 发布日期：2025-12-13

       传统晶体管小型化进程中面临的“功耗墙”问题难以克服，摩尔定律面临终结，迫切需要寻求器件结构和机理的变革。一方面，铁电材料的负电容效应有望克服玻尔兹曼电子分布限制，推动功耗继续降低。另一方面，铁电材料中形成的涡旋、斯格明子等拓扑结构因其独特的基础物性和技术应用前景引发了广泛研究热潮。作为典型代表，极性斯格明子具有尺寸小、多态性、手性、负介电常数、可调控的电子与机电特性等一系列引人注目的性质，在开发拓扑鲁棒性器件方面潜力巨大。在分析测试中心透射电镜机组的支持下，我校张溢/郑跃团队在极性微结构及其动力学方向取得系列成果：

 

       1《ACS Nano》

 

       由于负电容效应具有瞬态性和不稳定性，探究其背后的铁电畴动力学机制十分困难，导致畴动力学与负电容之间的关联机制仍不明确。中山大学物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室郑跃教授、张溢副教授团队采用原位透射电子显微镜和脉冲测试技术结合的高时空分辨表征技术（图1），揭示了单层铁电体和铁电/介电异质结薄膜中的负电容效应与畴动力学的关联机制，为基于铁电畴动力学设计低功耗负电容器件提供了参考。

 

       图1 基于高时空分辨表征技术观测负电容效应的示意图（此原位表征系统基于分析测试中心透射电子显微镜F30搭建）


        在该工作中，分析测试中心透射电镜机组支撑张溢副教授团队共同设计原位透射电镜实验方案，明确仪器关键参数设置，优化暗场像成像技术，实现了对极性微结构演化的时空分辨表征。本文第一作者吴祎玮和阳辉博士研究生还参与了分析测试中心透射电镜F30的自主操作培训，系统掌握了原位杆操作、K2相机录像模式拍摄等透射电镜(TEM)相关技术，并用所学技术完成了该工作的相关实验。

 

    相关研究成果以“Direct Observation of Ferroelectric Domain Switching Dynamics Under Negative Capacitance Conditions via In Situ Transmission Electron Microscope”为题发表在国际知名期刊《ACS Nano》上。中山大学为该成果的第一署名单位，物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室郑跃教授、张溢副教授为论文通讯作者，博士研究生吴祎玮和阳辉为共同第一作者，湖南科技大学谭丛兵副教授和中山大学陈伟津教授分别为该工作提供了实验和理论方面的支持。该工作在团队发展的高时空分辨原位透射电镜表征系统上完成，前期研究成果发表在国际知名期刊《Nano Letters》上（Nano Lett. 2024, 24, 24:7424-7431），已申请中国国家发明专利2项(公开号：CN116678903A、CN118569328A)。研究工作得到了国家自然科学基金、广东省磁电物性分析与器件重点实验室和中山大学分析测试中心电镜机组的大力支持。  

 

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c00289

 

       2《Advanced Materials》


         尽管近年来实验和理论研究取得进展，能形成极性斯格明子的材料体系仍然稀缺。迄今为止，它们主要被发现于铁电-绝缘体超晶格和多层膜体系中。与磁性系统中Dzyaloshinskii-Moriya相互作用起关键作用的机制不同，这些体系中的极性斯格明子源于弹性、静电和梯度能之间的微妙平衡。因此，极性斯格明子通常以紧密排列的状态存在，与邻近结构存在强相互作用，难以作为独立单元进行操控，这限制了其在存储与逻辑器件中的应用前景。此外，铁电-绝缘体异质结构的低导电性也制约了基于极性斯格明子电子特性的应用开发。

 

       中山大学材料学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室陈伟津教授与物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室张溢副教授课题组通过结合压电力显微镜实验、透射电子显微镜实验、密度泛函理论计算以及相场模拟，证实了铁电-金属异质结是承载拓扑态的理想载体，并成功验证了基于极性拓扑结构开发高可靠性存储与逻辑器件的可行性。研究揭示了PTO/SRO和PTO/CCMO/SRO异质结中经历丰富的拓扑相变，并能够稳定承载一系列斯格明子型极性拓扑结构（包括奈尔（Néel）型斯格明子（图2）、多π扭转的靶型斯格明子及斯格明子袋结构），其形态与磁性系统中报道的拓扑结构高度相似。如此丰富的斯格明子型极性拓扑家族在铁电-绝缘体（FI）超晶格及多层膜中未被发现。实验与理论分析表明，该异质结构中可能存在由氧八面体倾斜介导的电学Dzyaloshinskii-Moriya相互作用，且PTO薄膜处于极化向上和向下两种态之间的微妙平衡状态，并具有适度的内建电场。这些效应共同导致PTO薄膜处于一种易发生拓扑相变的临界态。

图2. 利用高分辨透射电子显微镜观测单个极性斯格明子结构。a. 平面暗场TEM图叠加原子尺度的截面HAADF-STEM图，用于展示PTO/SRO异质结的整体构型。b. 截面HAADF-STEM图展现PTO薄膜具有均匀的向上极化态，部分区域带有小角度的极化倾斜。c. 基于原子级分辨率平面HAADF-STEM图像得到的单个斯格明子极性矢量分布图，色环指示不同极化方向对应的颜色，揭示了Néel型极性斯格明子构型。


         研究工作中亟需解决的问题就是寻找到极性斯格明子并对其进行精细表征。为此，研究人员利用分析测试中心F30透射电镜，对大量不同厚度的钛酸铅薄膜的极性微结构进行了筛查，发现了钛酸铅薄膜极性斯格明子与薄膜厚度的依赖关系，并在F30上对极性斯格明子的暗场像进行了初步表征。

 

     该成果以“Creation of Independently Controllable and Long Lifetime Polar Skyrmion Textures in Ferroelectric-Metallic Heterostructures”为题发表在国际知名期刊《Advanced Materials》上。中山大学为该成果的第一署名单位，本实验室陈伟津教授、张溢副教授和郑跃教授为共同通讯作者，物理学院博士研究生孙菲为第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委、广东省磁电物性分析与器件重点实验室、光电材料与技术国家重点实验室和中山大学分析测试中心的大力支持。 

 

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202502674

 

支撑仪器：300 kV场发射透射电镜(F30) https://iarc.sysu.edu.cn/article/470