Small Methods:功能氧化物中极性拓扑结构的理论理解

在过去的几十年里,奇异拓扑相态在凝聚态物理和材料科学中获得了广泛的关注。2016年诺贝尔物理学奖授予了戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨三位科学家,表彰他们将在拓扑相变方面的重要理论工作。在铁电材料中,传统的凝聚态物理理论认为材料内部的自发极化在热平衡状态下会形成若干个极化方向相同的区域即铁电畴。然而,近年来研究人员在铁电氧化物异质结中发现还存在着许多极化方向高度非均匀的结构,包括极化涡旋、斯格明子、半子、极化波等。广义上来说,这些结构都可以统称为拓扑结构。作为“拓扑”和“铁电”的结合,这些极性拓扑结构由于自身独特的拓扑保护特性,以及在外场作用下丰富的拓扑相变行为,成为探索各种新兴现象和潜在功能的沃土,也为构筑基于铁电拓扑的下一代微纳电子器件提供了新的参考和借鉴。

近日,浙江大学材料科学与工程学院吴勇军洪子健黄玉辉团队从理论角度全面综述了功能氧化物异质结构中的铁电拓扑相及拓扑相变的研究进展,并对新型铁电拓扑相的构筑和相关电子器件的研究方向和存在的挑战作了展望。浙江大学材料学院/科创中心郭相伟博士后为本文第一作者,吴勇军教授、黄玉辉副教授、印度科学院Sujit Das助理教授、洪子健研究员为本文共同通讯作者。

首先,文章扩展了传统的铁电拓扑畴概念,首次提出了极化拓扑相的普适性表述,并简要介绍了多种计算手段,包括相场模拟、热力学理论和第一性原理计算等在极化拓扑相设计构筑中的重要作用,重点回顾了铁电功能氧化物异质结和超晶格中相场模型的发展历程。随后,文章系统总结了几十年来在铁电纳米结构、铁电薄膜和铁电超晶格等材料中通过理论预测和实验观察发现的丰富极化拓扑相结构及相关物理特性。接着,文章指出了相图在极化拓扑相稳定及拓扑相变研究中的重要指导作用,综述了利用相场模拟、有效哈密顿算法等理论方法结合实验观察,在铁电薄膜体系中构建的典型极化拓扑相的稳定相图。文章还综述了铁电涡旋、斯格明子等极化拓扑相在力、电等外场作用下的翻转动力学和声子动力学,总结了多种极化拓扑相与平庸畴结构在力、热、光、电响应下的相互转变过程。此外,文章还总结了在极化拓扑相中发现的负电容、拓扑手性、高介电储能等丰富物理性能。最后文章还对该领域未来的发展方向和面临的诸多挑战作了展望,包括如何利用理论计算模拟结合实验观察在其他体系中探索新型的极化拓扑相结构,如何从器件设计角度对单一新型极化拓扑相结构进行操控。这些问题的解决需要更多有志学者在该领域继续通力合作,潜心耕耘。

该研究得到国家自然科学基金(grant no. 92166104,U21A2067)的大力支持,其他作者还包括浙江大学材料学院博士生周麟铭和印度科学院博士生Basanta Roul。

图1 以PTO/STO超晶格体系为例,从理论模拟、实验制备表征、器件应用多个角度系统综述极化拓扑相在结构构筑、稳定相图、翻转动力学、声子动力学和物理特性方面的进展。

图2 铁电薄膜和超晶格体系下相场模型发展中里程碑工作。

图3 典型的铁电极化拓扑相与拓扑平庸畴结构在力、热、光、电等外场作用下的相互转变过程。

论文信息:

Theoretical Understanding of Polar Topological Phase Transitions in Functional Oxide Heterostructures: A Review

Xiangwei Guo, Linming Zhou, Basanta Roul, Yongjun Wu*, Yuhui Huang*, Sujit Das*, Zijian Hong*

Small Methods

DOI: 10.1002/smtd.202200486

链接:https://doi.org/10.1002/smtd.202200486