铁电材料中Néel-like domain wall的实验发现

铁磁材料和铁电材料就像一对孪生姐妹，在很多方面都体现出许多相似性，比如磁化强度和极化强度分别在磁场和电场下的响应，拓扑缺陷（畴壁）的存在等等。然而，两者之间在微观层面也同样存在显著的差异，比如电子的关联相互作用驱动的磁有序决定了磁性材料的宏观性能，而在铁电材料中，晶体结构在空间反演对称性方面的破缺导致了自发极化的出现，即铁电材料在宏观尺度下的铁电性。

早在上世纪五六十年代，铁磁材料中畴壁的结构就已经被确定，Bloch wall和Néel wall就是其中最具代表性的两种畴壁结构。而在铁电材料中，就180°畴壁来讲，人们的认识大多只停留在Ising wall。在理论和实验的研究中，这种铁电畴壁结构也的确被发现和证实。近年来，铁电畴壁（包括反相畴界）所表现出来的很多不同于块体畴的独特而优越的性能，比如conductivity，让人们意识到了他们在设计新型纳米电子器件方面的广阔应用前景。由此，对铁电畴壁的结构及其性能的研究再一次成为了研究中的焦点性话题。

众所周知，在铁电材料中，自发极化的方向严格受限于晶体对称轴的方向。因此，在人们熟悉的铁电材料中，如四方相的BaTiO3,PbTiO3和三方相的BiFeO3中，类似于磁性材料中的Néel wall 和Bloch wall是难以存在的。然而，在2000年左右，在锆钛酸铅（PZT）陶瓷中发现的铁电单斜相为铁电畴壁的研究带来了新的契机。这主要是由于在单斜相中，自发极化的方向不再受限于一个严格的对称轴，而是可以在某个特定的面内任意的转动。在铁电晶格中，这种灵活的极化取向为手性畴壁（chiraldomain wall）的形成奠定了坚实的基础。

   利用原子分辨的负球差成像技术，我们在Ti-rich锆钛酸铅（PZT）单晶中发现了类Néelwall的存在。在该单晶体系中，二级相变导致单斜相与四方相在纳米尺度下共存。实验中发现：类Néelwall的出现是由两个相邻的单斜畴所致，而单斜畴的两侧是被四方畴所挟持的。基于高分辨像的图像模拟，我们的估算得出四方畴和单斜畴的极化值分别为78 mC/cm²和47mC/cm²。按11:9的相成分比例算，样品整体的自发极化为64 mC/cm²。这与宏观电滞回线的测量结果非常吻合。由此我们得知，带电（charging）的单斜/四方相界是导致单斜畴发生分裂的重要原因。这被phase-fieldsimulation的结果所证实。同时，相场模拟发现两侧的四方畴对中间的单斜畴提供的压应力也是畴壁呈现出类Néelwall的重要原因。我们的结果显示：在含有低对称相（单斜相，三斜相）的铁电固溶体中是极有可能存在和磁性材料中一样的Néelwall和Bloch wall的。而这样的材料其实有很多，比如压电陶瓷PMN-PT，以及应力调控的铁电薄膜如BiFeO₃。由于极化的旋转可以极大的提高材料的压电性能，预期在具有很高密度的Néel-likewall的材料可以用来设计缩微化的压电传感器，而阵列式的长程类Néelwall结构也许可以用来做尺寸仅有几个纳米宽的纳米光栅。相关结果发表在近期的NatureCommunications, 7, 12385 (2016). http://www.nature.com/ncomms/2016/160819/ncomms12385/full/ncomms12385.html.

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