奇異鐵電拓?fù)淙毕?如渦旋、斯格明子態(tài))蘊(yùn)含著豐富多彩的物理現(xiàn)象和新功能，有望用于構(gòu)筑未來(lái)拓?fù)潆娮訉W(xué)器件。本工作分別在BiFeO3納米島內(nèi)形成的兩種拓?fù)淙毕?渦旋型和中心型)中發(fā)現(xiàn)了可往復(fù)擦寫(xiě)的、具有準(zhǔn)一維電子氣特征的超細(xì)金屬性導(dǎo)電通道，并提出了構(gòu)筑基于導(dǎo)電拓?fù)淙毕莸?、非破壞性電?dǎo)讀出的隨機(jī)存儲(chǔ)器件方案。

“拓?fù)洹痹且粋€(gè)數(shù)學(xué)概念，指的是幾何圖形或空間在連續(xù)改變變形后保持不變的性質(zhì)。這一概念被引入到凝聚態(tài)物理領(lǐng)域后，這些年留下了濃墨重彩的一筆，引起大量新物理現(xiàn)象和新拓?fù)洳牧象w系的發(fā)現(xiàn)，也為未來(lái)拓?fù)潆娮訉W(xué)器件打開(kāi)了大門(mén)。也因此，2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)被授予了在該領(lǐng)域的3位開(kāi)創(chuàng)者。 近十年來(lái)， 鐵電材料中的新奇極化拓?fù)淙毕?即極化不連續(xù)變化的奇點(diǎn)位置)也成為研究焦點(diǎn)，這類(lèi)拓?fù)淙毕菘娠@著改變材料性能或帶來(lái)全新物性，并且具有可受外場(chǎng)調(diào)控的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可以作為未來(lái)可編程拓?fù)潆娮訉W(xué)器件單元。

人們?cè)诔Ｒ?jiàn)的二維拓?fù)淙毕?疇壁)中已發(fā)現(xiàn)了各種有趣的性能，如導(dǎo)電增強(qiáng)、磁電阻、磁性、磁電耦合，壓電增強(qiáng)等。尤其是在電荷型疇壁中發(fā)現(xiàn)金屬性高導(dǎo)電通道，可用于構(gòu)筑電流讀出的存儲(chǔ)器件。然而，這類(lèi)疇壁器件在存儲(chǔ)密度和讀寫(xiě)穩(wěn)定性還存在很大問(wèn)題。 近來(lái)，一些奇異的一維鐵電拓?fù)淙毕?，如渦旋、中心疇、斯格明子、麥韌等拓?fù)鋺B(tài)相繼被發(fā)現(xiàn)，引發(fā)了新一輪探索熱潮。這些發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步探索其中所蘊(yùn)含的新奇低維物性創(chuàng)造了條件，并為開(kāi)發(fā)更高密度的拓?fù)潆娮訉W(xué)器件提供了新途徑。

有預(yù)測(cè)表明雙穩(wěn)態(tài)渦旋疇可在小至3 nm尺度穩(wěn)定存在，有望實(shí)現(xiàn)每英寸60 Tb的存儲(chǔ)密度，遠(yuǎn)高于硬盤(pán)或閃存的存儲(chǔ)密度。當(dāng)前，盡管這類(lèi)拓?fù)淙毕莸难芯堪l(fā)展迅猛，但其潛在新奇物性及器件用途還鮮有報(bào)道，是待挖掘的富礦。 近日，華南師范大學(xué)高興森教授課題組聯(lián)合南京大學(xué)劉俊明教授、賓州州立大學(xué)陳龍慶教授和張洋博士，在鐵電拓?fù)淙毕莸膶?dǎo)電性研究取得進(jìn)展。他們分別在兩種拓?fù)淙毕葜邪l(fā)現(xiàn)了可受外場(chǎng)調(diào)控、并具有準(zhǔn)一維電子氣特征的導(dǎo)電通道。

圖1：兩種拓?fù)鋺B(tài)(四象限渦旋型和中心匯聚型)的拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu)及其導(dǎo)電特性：

a, 用于探測(cè)BiFeO3納米島陣列上拓?fù)淙毕輰?dǎo)電性的實(shí)驗(yàn)設(shè)置原理圖，其中原子力形貌圖被疊加上中心匯聚型拓?fù)洚犼嚵械碾娏鞣植嫉膶?dǎo)電原子力(CAFM)測(cè)試圖。

b, 四象限渦旋態(tài)和中心匯聚態(tài)的疇結(jié)構(gòu)示意圖以及對(duì)應(yīng)的典型導(dǎo)電特性。其中渦旋中心(即渦旋核)以及中心匯聚型的缺陷中心均呈現(xiàn)出明顯的導(dǎo)電增強(qiáng)，而外圍疇壁則呈現(xiàn)出不同導(dǎo)電性。CDWs和NDWs分別表示構(gòu)成這兩種拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu)的帶電疇壁和71°中性疇壁。 該工作主要利用壓電和導(dǎo)電原子力顯微鏡，在BiFeO3(BFO)納米島中觀測(cè)到在四象限渦旋型和中心匯聚型的拓?fù)淙毕葜行?，并證實(shí)其為高導(dǎo)電金屬性通道 (見(jiàn)圖1)。

通過(guò)相場(chǎng)模擬，我們進(jìn)一步揭示了電荷型的中心匯聚拓?fù)渲行闹妼?dǎo)主要由缺陷處匯聚的屏蔽載流子引起，而中性渦旋中心的導(dǎo)電則源于外場(chǎng)誘導(dǎo)產(chǎn)生的類(lèi)中心匯聚型極化扭曲態(tài)。模擬還揭示，這兩種金屬性導(dǎo)電通道的直徑都小于3 nm、類(lèi)似一維電子氣通道。更有趣的是，通過(guò)施加電壓，可以往復(fù)寫(xiě)入或擦除這類(lèi)導(dǎo)電通道、并伴隨著高低電阻態(tài)的切換，其開(kāi)關(guān)電阻比超過(guò)三個(gè)量級(jí) (見(jiàn)圖2)。

圖2. 渦旋型和中心型導(dǎo)電拓?fù)淙毕莸牟翆?xiě)以及基于拓?fù)淙毕莸碾S機(jī)存儲(chǔ)器件構(gòu)想：

a, 兩種拓?fù)鋺B(tài)的導(dǎo)電態(tài)調(diào)控(拓?fù)淙毕莸牟翆?xiě)及翻轉(zhuǎn))；b, 拓?fù)鋺B(tài)的擦寫(xiě)及翻轉(zhuǎn)總結(jié)示意圖；c, 基于可擦寫(xiě)拓?fù)淙毕莸腸ross-bar 架構(gòu)的隨機(jī)存儲(chǔ)器件構(gòu)想；d,e, 基于兩種拓?fù)鋺B(tài)建構(gòu)的概念器件工作性能測(cè)試：反復(fù)擦寫(xiě)(d)及穩(wěn)定(e)特性。

由于拓?fù)浔Ｗo(hù)特性，這種拓?fù)淦骷憩F(xiàn)出很強(qiáng)的抗疲勞和抗溫度干擾特性，可在室溫中放置至少12天(我們實(shí)驗(yàn)測(cè)試的最長(zhǎng)時(shí)間)或在150℃ 放7000秒(也是我們實(shí)驗(yàn)測(cè)試的最長(zhǎng)時(shí)間)后其開(kāi)關(guān)電阻比保持穩(wěn)定?；谥行男腿毕莸钠骷诓翆?xiě)106循環(huán)后其電阻比依然保持85%以上。該成果也展示了這類(lèi)高導(dǎo)電拓?fù)淙毕萦糜跇?gòu)筑新一代超高密度拓?fù)浯鎯?chǔ)器件的可行性，并為探索這類(lèi)新奇拓?fù)淙毕葜袧撛谛缕嫖镄约捌渫負(fù)潆娮訉W(xué)器件應(yīng)用提供了一個(gè)實(shí)例。

該研究成果以“Quasi-one-dimensional metallic conduction channels in exotic ferroelectric topological defects”為題，發(fā)表在Nature Communications(Doi: 10.1038/s41467-021-21521-9) 上。華南師范大學(xué)高興森教授為該論文的通訊作者、博士生楊文達(dá)和青年英才學(xué)者田國(guó)博士為共同第一作者。該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、廣東省科技廳、廣州市科委的項(xiàng)目支持。

編輯：jq