《Nature Communications》：新突破！一种此前未曾报道过的全新电极化拓扑结构

近日，松山湖材料实验室、中国科学院东莞材料所和中国科学院金属研究所多个研究机构组成的研究团队，在经典反铁电材料——锆酸铅（PbZrO3）薄膜研究中取得重要进展。研究团队发现，电极化拓扑结构与晶体中的一维结构拓扑缺陷（位错）之间存在强相互作用。借助超高分辨电子显微学成像、谱学研究以及相场模拟，他们观察到，作为经典一维拓扑线缺陷的“位错”，其周围产生的应变场能够在超薄PbZrO3薄膜中自发诱导出一种有序排列的极性“反刺猬畴”四方晶格。这是一种此前未曾报道过的全新电极化拓扑结构。相关研究成果以“Strong interplay between polar and structural topologies”为题在线发表于《自然通讯》（Nature Communications）。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-70515-y

反铁电材料因其在介电储能、电致应变等领域的广阔应用前景而备受科学界关注。在这类材料中，相邻晶胞的电偶极矩在基态下呈反平行排列，这种反平行结构使得电偶极矩在单胞尺度上相互抵消，材料整体对外不表现出宏观极化。相比之下，在铁电材料研究中，通过应变和界面调控等手段，科学家已成功诱导电偶极矩发生连续旋转，构建出多种新型极化拓扑结构——相关团队此前已在铁电材料中取得一系列突破，包括发现极化通量闭合畴（Science 2015）、极化麦韧晶格（Nature Mater. 2020）等。然而，对于反铁电材料而言，由于其内部存在巨大的能量壁垒，能否诱导出类似的极化连续旋转、进而构建新型极化拓扑结构，始终是悬而未决的难题。

面对这一瓶颈，研究团队另辟蹊径，从“缺陷工程”入手，探索晶体中经典的一维拓扑缺陷——“位错”对极化的潜在操控能力。通过原子尺度的透射电子显微分析，他们发现PbZrO3薄膜界面处的位错核心能够有效钉扎并汇聚电极化矢量。位错阵列引入的周期性非均匀应变场，充当了调控电偶极矩排布的“模具”，迫使原本反平行的极化发生连续旋转和重构。最终，一种高度有序且前所未有的极化“反刺猬畴”四方晶格在应变场的诱导下自发形成。这一发现首次在反铁电材料中实现了极化拓扑结构的可控构筑，为拓扑缺陷工程调控材料功能提供了全新范式。

为揭示这一奇特现象的物理本质，研究团队结合相场模拟开展了深入机制分析。结果表明，电致伸缩效应与挠曲电效应的协同耦合是驱动极化拓扑重构的关键。具体而言，位错周围巨大的应变与应变梯度通过两种效应产生了强局域有效电场：电致伸缩效应实现了应变与电极化的直接耦合，挠曲电效应则将应变梯度转化为等效电场，二者共同作用，打破了反铁电材料固有的反平行极化束缚，驱动电偶极矩发生连续旋转和重排，最终稳定形成周期性的"反刺猬畴"四方晶格。

这项研究首次在反铁电材料中证实了极性拓扑结构与晶体结构拓扑缺陷之间的强相互作用，将位错从传统的结构缺陷重新定位为调控电极化拓扑态的“有效工具”。这一突破不仅在反铁电体中建立了缺陷工程驱动的极化拓扑结构设计新范式，更拓展了人们对反铁电材料凝聚态物理行为的认知边界, 从方法论上启示了通过拓扑缺陷耦合来探索新奇量子序的可行路径。该发现为开发基于（反）铁电材料的高密度非易失性存储、超低功耗新型逻辑单元及多功能传感器件提供了全新的设计思路与材料平台，有望推动下一代低功耗电子学及集成系统的发展。

松山湖材料实验室/中国科学院东莞材料所马秀良研究所团队、中国科学院金属研究所姜如建博士（现为香港理工大学博后）和朱美雄博士研究生为论文的共同第一作者，松山湖材料实验室/中国科学院东莞材料所马秀良研究员、朱银莲研究员，与中国科学院金属研究所唐云龙研究员为该论文的共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、金属所创新基金等项目的资助。

图1 PZO/KTO异质界面处的界面位错

图2 高密度位错诱导的极性反刺猬畴

图3 PZO薄膜平面样品中的反刺猬畴

图4 通过相场模拟得到的有序拓扑畴的极化特性

图5 拓扑晶格形成过程中应变梯度场与挠曲电场的相互耦合

图6 界面位错处元素分布及其涌现特性

本文来自“松山湖材料实验室”。

近期学术会议推荐

欢迎留言，分享观点。点亮❤