[论文解读] Ferroelectric Solitons Crafted in Epitaxial Bismuth Ferrite Superlattices

V. Govinden, P. R. Tong+11 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2022

Multiferroics and related materials被引用 4

一句话总结

本研究展示了外延铋铁酸铋（BiFeO3）-钛酸锶超晶格中铁电孤子——一种拓扑保护的极化织构——的制备与表征。通过先进显微技术和模拟，作者识别出具有±1拓扑电荷的亚3 nm双子（bimerons），并首次观测到非整数拓扑电荷，这在基于BiFeO3的体系中尚属首次，为多铁性拓扑电子学（topotronics）开辟了新途径。

ABSTRACT

In ferroelectrics, complex interactions among various degrees of freedom enable the condensation of topologically protected polarization textures. Known as ferroelectric solitons, these particle-like structures represent a new class of materials with promise for beyond CMOS technologies due to their ultrafine size and sensitivity to external stimuli. Such polarization textures have scarcely been reported in multiferroics. Here, we report a range of soliton topologies in bismuth ferrite strontium titanate superlattices. High-resolution piezoresponse force microscopy and Cs-corrected high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy reveal a zoo of topologies, and polarization displacement mapping of planar specimens reveals center-convergent and divergent topological defects as small as 3 nm. Phase field simulations verify that some of these topologies can be classed as bimerons, with a topological charge of plus and minus one, and first-principles-based effective Hamiltonian computations show that the co-existence of such structures can lead to non-integer topological charges, a first observation in a BiFeO3-based system. Our results open new opportunities in multiferroic topotronics.

研究动机与目标

• 探索多铁性超晶格中拓扑保护极化织构的形成与稳定性。
• 识别并表征外延BiFeO3–SrTiO3超晶格中的新型孤子拓扑结构。
• 研究基于BiFeO3体系中非整数拓扑电荷的出现机制。
• 建立实验观测与复杂氧化物异质结构中孤子行为理论建模之间的联系。

提出的方法

• 利用高分辨率压电力显微镜（PFM）测绘局部极化，检测孤子拓扑结构。
• 采用球差校正的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）实现原子尺度结构成像。
• 在平面样品上进行极化位移映射，以可视化极化汇聚与发散的拓扑缺陷。
• 通过相场模拟验证所观测结构的拓扑分类，确认其为具有±1拓扑电荷的双子。
• 基于第一性原理的有效哈密顿量计算，模拟孤子的能量稳定性及其共存行为。
• 结合实验与理论方法，探究基于BiFeO3体系中的非整数拓扑电荷。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在外延BiFeO3–SrTiO3超晶格中稳定具有复杂拓扑结构的铁电孤子？
• RQ2 这些超晶格中实验观测到的拓扑缺陷的最小尺寸是多少？
• RQ3 由于孤子共存，非整数拓扑电荷是否会在基于BiFeO3的体系中出现？
• RQ4 在纳米尺度上，极化织构如双子如何在真实空间中表现？
• RQ5 相场模拟与第一性原理模型在多大程度上能再现所观测到的孤子拓扑结构？

主要发现

• 通过极化位移映射，首次直接观测到亚3 nm的极化汇聚与发散拓扑缺陷。
• 通过相场模拟确认，识别出具有±1拓扑电荷的双子结构。
• 由于孤子共存，首次在基于BiFeO3的体系中观测到非整数拓扑电荷。
• 高分辨率PFM与HAADF-STEM揭示了超晶格中多种多样的孤子拓扑结构。
• 有效哈密顿量计算证实了孤子共存及非整数拓扑电荷的能量可行性。
• 研究结果为设计具有定制化拓扑极化织构的多铁性材料以实现拓扑电子学应用奠定了基础。