東南大學研究團隊首次在分子鈣鈦礦鐵電體中觀察到渦旋疇結構

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  近日,東南大學化學化工學院國際分子鐵電科學與應用研究院暨江蘇省“分子鐵電科學與應用”重點實驗室在分子鐵電研究中取得重要進展。

  團隊首次在分子鐵電薄膜中發現瞭奇特的“渦旋-反渦旋” (vortex-antivortex)疇結構。

  作為一種特殊的拓撲形態,鐵電渦旋疇中自發極化在有限空間內局域成一個閉合通量,使得該區域尤其是疇壁處具有豐富的物理性質,在鐵電超導器件、場效應晶體管、光電探測器和發光二極管等器件上有廣泛的應用。

  此外,由於渦旋中心能量最低,極化態之間的翻轉更容易,這種疇結構非常適合構築低能耗存儲器。

  目前對渦旋疇結構的研究大多是基於無機鐵電材料,在分子鐵電體中還沒有報道。該文利用“氟代效應” 改性策略,成功合成瞭有機-無機雜化鈣鈦礦分子鐵電體(4,4-difluoropiperidinium)2PbI4。

  受對稱性和邊界條件限制,該材料的薄膜中廣泛存在由8個次級疇合並而成的8重態拓撲疇結構。基於晶體結構及壓電力顯微鏡(PFM)成像分析,拓撲疇中一共存在4種極化狀態。

  其中,同一個象限中兩個疇的極化方向相反,呈180˚角;而相鄰象限疇的極化方向夾角為90˚。這樣,該區域的極化在順時針方向存在一個+2π旋轉(vortex),在逆時針方向存在一個-2π旋轉(anti-vortex),形成漂亮的“渦旋-反渦旋”結構。

  獨特的疇結構,加之分子鐵電體的機械柔性、易結晶、易成膜等特點,使得(4,4-difluoropiperidinium)2PbI4在器件上有很大的應用前景。

  相關成果以 “Observation of vortex domains in a two-dimensional lead iodine perovskite ferroelectric”為題在化學領域頂級期刊Journal of the American Chemical Society《美國化學會會志》上發表。

  該工作由博士生張含悅、宋賢江、陳曉剛等共同努力完成,東南大學為第一通訊單位。

  該成果得到“東南大學十大科學與技術問題”啟動培育基金的資助。