Han Meng-Jiao（韩梦娇）†,‡,⊥、Wang Yu-Jia（王玉佳）†,⊥等来自中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心（Shenyang National Laboratory for Materials Science, Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences）的研究团队，联合中国科学技术大学（University of Science and Technology of China）、兰州理工大学（Lanzhou University of Technology）等机构，于2019年1月15日在《The Journal of Physical Chemistry C》（J. Phys. Chem. C）发表了题为《Shape and Surface Charge Modulation of Topological Domains in Oxide Multiferroics》的研究论文。该研究通过调控铁酸铋（BiFeO₃, BFO）纳米岛的自组装生长，揭示了拓扑缺陷（topological defects）在氧化物多铁材料中的形成机制与极化分布规律，为高密度非易失性存储器开发提供了新思路。

学术背景

拓扑缺陷（如涡旋、斯格明子、中心型畴等）是凝聚态物理中序参数不连续变化的区域，具有独特的电学与磁学特性。在铁电材料中，中心型畴（center-type domains）因其非易失性存储潜力备受关注，但其形成机制与密度调控仍不明确。传统方法需依赖外电场诱导，而本研究通过衬底掺杂与形貌调控，实现了自组装高密度中心型畴的制备，并首次在原子尺度解析了其极化构型。

研究流程

1. 材料制备

   • 方法：采用脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition, PLD）在Nb/Fe掺杂的SrTiO₃（NSTO/FSTO）衬底上生长BFO薄膜。
     
   • 参数：衬底温度800°C、氧压12 Pa、激光能量密度2 J·cm⁻²、重复频率10 Hz。通过调控衬底掺杂浓度（NSTO: 0.1-0.7 wt%; FSTO: 0.005-0.05 wt%）和薄膜厚度（6-8 nm），获得不同尺寸/密度的纳米岛。
     
   • 创新点：高重复频率与能量密度促进纳米岛自组装，避免传统模板法的复杂工艺。

2. 表征技术

   • 压电力显微镜（PFM）：
     
     • 使用Cypher AFM系统，通过垂直PFM（VPFM）与横向PFM（LPFM）分析纳米岛的极化分布。
       
     • 发现纳米岛呈现四象限中心发散畴结构（center-divergent domains），其面内极化分量通过样品旋转90°对比验证。
       
   • 透射电镜（TEM）与像差校正STEM：
     
     • 采用Titan Cubed 60-300 kV显微镜，高角度环形暗场成像（HAADF-STEM）解析原子级极化位移。
       
     • 结果显示：纳米岛中心存在“Kirkendall voids”（柯肯达尔空洞），周围由71°尾对尾带电畴壁（71° tail-to-tail charged domain walls）分隔的四个畴组成，畴壁呈锯齿状以降低静电能。
       

3. 相场模拟

   • 模型设计：建立高斯形纳米岛与圆柱形对比模型，表面电荷密度设为±0.25 C/m²（模拟Bi缺失导致的负电荷积累）。
     
   • 关键发现：
     
     • 高斯形纳米岛的电荷场呈发散分布，驱动中心发散畴形成；圆柱形模型则导致中心汇聚畴。
       
     • 形状与表面电荷共同决定畴结构：电荷主导面外极化方向（向上），形状主导面内极化分布。
       

主要结果

1. 畴结构解析：

   • PFM与STEM证实所有纳米岛均具有四象限中心发散畴，面外极化向上，面内极化呈辐射状（图2c）。
     
   • 原子级位移矢量分析显示Fe³⁰⁺位移方向与极化方向相反，畴壁处原子列偏移量达5 pm。
     

2. 调控机制：

   • 衬底掺杂：Nb/Fe掺杂浓度增加使纳米岛密度提升2倍（图3），但尺寸不变。
     
   • 薄膜厚度：厚度从6 nm增至8 nm时，纳米岛直径扩大30%，但过厚会导致岛间融合。
     

3. 形成机理：

   • Bi挥发导致表面负电荷积累，与纳米岛高斯形状协同作用，通过发散电场稳定中心畴。
     
   • 相场模拟重现实验观测，验证了“电荷-形状”耦合机制（图5）。
     

结论与价值

1. 科学意义：

   • 首次阐明中心型畴的原子构型与形成条件，填补了铁电拓扑缺陷理论的空白。
     
   • 提出“衬底掺杂-形貌-电荷”三位一体的畴工程策略，突破传统外场调控的局限。
     

2. 应用前景：

   • 自组装纳米岛工艺可替代模板法，实现低成本高密度存储器（>1 Tb/in²）。
     
   • 带电畴壁的导电特性可应用于纳米电路与逻辑器件。
     

研究亮点

1. 方法创新：

   • 结合PLD生长调控、多尺度表征（PFM+STEM）与相场模拟，形成完整研究链条。
     
   • 开发高斯形纳米岛模型，首次量化形状对极化的影响。
     

2. 发现创新：

   • 揭示71°带电畴壁的原子构型与锯齿状优化机制。
     
   • 发现Nb/Fe掺杂通过表面电荷密度调控纳米岛密度，为器件设计提供新参数。
     

其他价值

• 补充实验证实Fe:SrTiO₃衬底上纳米岛仍保持中心发散畴，但面外极化方向受掺杂类型影响（图S4-S5）。
  
• 相场模型可扩展至其他铁电体系，如PbTiO₃/BaTiO₃超晶格（图S9）。
  

（注：全文引用文献33篇，包括《Nature》《Science》等关键研究，支撑了拓扑缺陷的可控性与应用潜力论证。）