華南師范大學在鐵電拓撲缺陷的導電性研究取得進展

奇異鐵電拓撲缺陷（如渦旋、斯格明子態(tài)）蘊含著豐富多彩的物理現(xiàn)象和新功能，有望用于構(gòu)筑未來拓撲電子學器件。本工作分別在BiFeO3納米島內(nèi)形成的兩種拓撲缺陷（渦旋型和中心型）中發(fā)現(xiàn)了可往復擦寫的、具有準一維電子氣特征的超細金屬性導電通道，并提出了構(gòu)筑基于導電拓撲缺陷的、非破壞性電導讀出的隨機存儲器件方案。

“拓撲”原是一個數(shù)學概念，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)象和新拓撲材料體系的發(fā)現(xiàn)，也為未來拓撲電子學器件打開了大門。

也因此，2016年諾貝爾物理學獎被授予了在該領域的3位開創(chuàng)者。 近十年來， 鐵電材料中的新奇極化拓撲缺陷（即極化不連續(xù)變化的奇點位置）也成為研究焦點，這類拓撲缺陷可顯著改變材料性能或帶來全新物性，并且具有可受外場調(diào)控的獨特優(yōu)勢，可以作為未來可編程拓撲電子學器件單元。

人們在常見的二維拓撲缺陷（疇壁）中已發(fā)現(xiàn)了各種有趣的性能，如導電增強、磁電阻、磁性、磁電耦合，壓電增強等。尤其是在電荷型疇壁中發(fā)現(xiàn)金屬性高導電通道，可用于構(gòu)筑電流讀出的存儲器件。

然而，這類疇壁器件在存儲密度和讀寫穩(wěn)定性還存在很大問題。 近來，一些奇異的一維鐵電拓撲缺陷，如渦旋、中心疇、斯格明子、麥韌等拓撲態(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)為進一步探索其中所蘊含的新奇低維物性創(chuàng)造了條件，并為開發(fā)更高密度的拓撲電子學器件提供了新途徑。有預測表明雙穩(wěn)態(tài)渦旋疇可在小至3 nm尺度穩(wěn)定存在，有望實現(xiàn)每英寸60 Tb的存儲密度，遠高于硬盤或閃存的存儲密度。

當前，盡管這類拓撲缺陷的研究發(fā)展迅猛，但其潛在新奇物性及器件用途還鮮有報道，是待挖掘的富礦。 近日，華南師范大學高興森教授課題組聯(lián)合南京大學劉俊明教授、賓州州立大學陳龍慶教授和張洋博士，在鐵電拓撲缺陷的導電性研究取得進展。

他們分別在兩種拓撲缺陷中發(fā)現(xiàn)了可受外場調(diào)控、并具有準一維電子氣特征的導電通道。

圖1：兩種拓撲態(tài)（四象限渦旋型和中心匯聚型）的拓撲疇結(jié)構(gòu)及其導電特性：a， 用于探測BiFeO3納米島陣列上拓撲缺陷導電性的實驗設置原理圖，其中原子力形貌圖被疊加上中心匯聚型拓撲疇陣列的電流分布的導電原子力（CAFM）測試圖。b， 四象限渦旋態(tài)和中心匯聚態(tài)的疇結(jié)構(gòu)示意圖以及對應的典型導電特性。

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)出明顯的導電增強，而外圍疇壁則呈現(xiàn)出不同導電性。CDWs和NDWs分別表示構(gòu)成這兩種拓撲疇結(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電原子力顯微鏡，在BiFeO3（BFO）納米島中觀測到在四象限渦旋型和中心匯聚型的拓撲缺陷中心，并證實其為高導電金屬性通道 （見圖1）。通過相場模擬，我們進一步揭示了電荷型的中心匯聚拓撲中心之電導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電則源于外場誘導產(chǎn)生的類中心匯聚型極化扭曲態(tài)。

模擬還揭示，這兩種金屬性導電通道的直徑都小于3 nm、類似一維電子氣通道。更有趣的是，通過施加電壓，可以往復寫入或擦除這類導電通道、并伴隨著高低電阻態(tài)的切換，其開關電阻比超過三個量級 （見圖2）。

圖2. 渦旋型和中心型導電拓撲缺陷的擦寫以及基于拓撲缺陷的隨機存儲器件構(gòu)想：a， 兩種拓撲態(tài)的導電態(tài)調(diào)控（拓撲缺陷的擦寫及翻轉(zhuǎn)）；b， 拓撲態(tài)的擦寫及翻轉(zhuǎn)總結(jié)示意圖；c， 基于可擦寫拓撲缺陷的cross-bar 架構(gòu)的隨機存儲器件構(gòu)想；d，e， 基于兩種拓撲態(tài)建構(gòu)的概念器件工作性能測試：反復擦寫（d）及穩(wěn)定（e）特性。

由于拓撲保護特性，這種拓撲器件表現(xiàn)出很強的抗疲勞和抗溫度干擾特性，可在室溫中放置至少12天（我們實驗測試的最長時間）或在150℃ 放7000秒（也是我們實驗測試的最長時間）后其開關電阻比保持穩(wěn)定。

基于中心型缺陷的器件在擦寫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高導電拓撲缺陷用于構(gòu)筑新一代超高密度拓撲存儲器件的可行性，并為探索這類新奇拓撲缺陷中潛在新奇物性及其拓撲電子學器件應用提供了一個實例。

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。華南師范大學高興森教授為該論文的通訊作者、博士生楊文達和青年英才學者田國博士為共同第一作者。

該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委、廣東省科技廳、廣州市科委的項目支持。

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