铁电拓扑缺陷中的准一维金属性导电通道-德赢Vwin官网网

奇异铁电拓扑缺陷(如涡旋、斯格明子态)蕴含着丰富多彩的物理现象和新功能，有望用于构筑未来拓扑电子学器件。本工作分别在BiFeO3纳米岛内形成的两种拓扑缺陷(涡旋型和中心型)中发现了可往复擦写的、具有准一维电子气特征的超细金属性导电通道，并提出了构筑基于导电拓扑缺陷的、非破坏性电导读出的随机存储器件方案。

“拓扑”原是一个数学概念，指的是几何图形或空间在连续改变变形后保持不变的性质。这一概念被引入到凝聚态物理领域后，这些年留下了浓墨重彩的一笔，引起大量新物理现象和新拓扑材料体系的发现，也为未来拓扑电子学器件打开了大门。也因此，2016年诺贝尔物理学奖被授予了在该领域的3位开创者。近十年来，铁电材料中的新奇极化拓扑缺陷(即极化不连续变化的奇点位置)也成为研究焦点，这类拓扑缺陷可显著改变材料性能或带来全新物性，并且具有可受外场调控的独特优势，可以作为未来可编程拓扑电子学器件单元。

人们在常见的二维拓扑缺陷(畴壁)中已发现了各种有趣的性能，如导电增强、磁电阻、磁性、磁电耦合，压电增强等。尤其是在电荷型畴壁中发现金属性高导电通道，可用于构筑电流读出的存储器件。然而，这类畴壁器件在存储密度和读写稳定性还存在很大问题。近来，一些奇异的一维铁电拓扑缺陷，如涡旋、中心畴、斯格明子、麦韧等拓扑态相继被发现，引发了新一轮探索热潮。这些发现为进一步探索其中所蕴含的新奇低维物性创造了条件，并为开发更高密度的拓扑电子学器件提供了新途径。

有预测表明双稳态涡旋畴可在小至3 nm尺度稳定存在，有望实现每英寸60 Tb的存储密度，远高于硬盘或闪存的存储密度。当前，尽管这类拓扑缺陷的研究发展迅猛，但其潜在新奇物性及器件用途还鲜有报道，是待挖掘的富矿。近日，华南师范大学高兴森教授课题组联合南京大学刘俊明教授、宾州州立大学陈龙庆教授和张洋博士，在铁电拓扑缺陷的导电性研究取得进展。他们分别在两种拓扑缺陷中发现了可受外场调控、并具有准一维电子气特征的导电通道。

图1：两种拓扑态(四象限涡旋型和中心汇聚型)的拓扑畴结构及其导电特性：

a, 用于探测BiFeO3纳米岛阵列上拓扑缺陷导电性的实验设置原理图，其中原子力形貌图被叠加上中心汇聚型拓扑畴阵列的电流分布的导电原子力(CAFM)测试图。

b, 四象限涡旋态和中心汇聚态的畴结构示意图以及对应的典型导电特性。其中涡旋中心(即涡旋核)以及中心汇聚型的缺陷中心均呈现出明显的导电增强，而外围畴壁则呈现出不同导电性。CDWs和NDWs分别表示构成这两种拓扑畴结构的带电畴壁和71°中性畴壁。该工作主要利用压电和导电原子力显微镜，在BiFeO3(BFO)纳米岛中观测到在四象限涡旋型和中心汇聚型的拓扑缺陷中心，并证实其为高导电金属性通道 (见图1)。

通过相场vwin ，我们进一步揭示了电荷型的中心汇聚拓扑中心之电导主要由缺陷处汇聚的屏蔽载流子引起，而中性涡旋中心的导电则源于外场诱导产生的类中心汇聚型极化扭曲态。模拟还揭示，这两种金属性导电通道的直径都小于3 nm、类似一维电子气通道。更有趣的是，通过施加电压，可以往复写入或擦除这类导电通道、并伴随着高低电阻态的切换，其开关电阻比超过三个量级 (见图2)。

图2. 涡旋型和中心型导电拓扑缺陷的擦写以及基于拓扑缺陷的随机存储器件构想：

a, 两种拓扑态的导电态调控(拓扑缺陷的擦写及翻转)；b, 拓扑态的擦写及翻转总结示意图；c, 基于可擦写拓扑缺陷的cross-bar 架构的随机存储器件构想；d,e, 基于两种拓扑态建构的概念器件工作性能测试：反复擦写(d)及稳定(e)特性。

由于拓扑保护特性，这种拓扑器件表现出很强的抗疲劳和抗温度干扰特性，可在室温中放置至少12天(我们实验测试的最长时间)或在150℃ 放7000秒(也是我们实验测试的最长时间)后其开关电阻比保持稳定。基于中心型缺陷的器件在擦写106循环后其电阻比依然保持85%以上。该成果也展示了这类高导电拓扑缺陷用于构筑新一代超高密度拓扑存储器件的可行性，并为探索这类新奇拓扑缺陷中潜在新奇物性及其拓扑电子学器件应用提供了一个实例。

该研究成果以“Quasi-one-dimensional metallic conduction channels in exotic ferroelectric topological defects”为题，发表在Nature Communications(Doi: 10.1038/s41467-021-21521-9) 上。华南师范大学高兴森教授为该论文的通讯作者、博士生杨文达和青年英才学者田国博士为共同第一作者。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、广东省科技厅、广州市科委的项目支持。

编辑：jq

声明：本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人，不代表德赢Vwin官网网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用，如有内容侵权或者其他违规问题，请联系本站处理。举报投诉

磁电阻

磁电阻

+关注

关注
0

文章
11

浏览量
6595
拓扑电路

拓扑电路

+关注

关注
3

文章
21

浏览量
16795

原文标题：当拓扑遇上铁电：铁电拓扑缺陷中的准一维金属性导电通道

文章出处：【微信号：zhishexueshuquan，微信公众号：知社学术圈】欢迎添加关注！文章转载请注明出处。

碳纳米管的导电性能介绍碳纳米管如何提高材料强度

。这些不同的结构类型影响了碳纳米管的电子性质，包括导电性。 2. 导电性能碳纳米管具有优异的导电性能，这主要得益于其特殊的电子结构。在理想状态下，碳纳米管可以表现为金属或半导体，这取

发表于 12-12 09:07 •261次阅读

安泰功率放大器如何进行铁电存储器的高压极化测试

相比，铁电存储器具有一些独一无二的特性，因此受到很大关注。今天Aigtek安泰电子就给大家介绍一下和铁

发表于 11-27 11:57 •167次阅读

铁磁材料组成的磁路是什么意思

铁磁材料组成的磁路是指在电磁系统中，由铁磁材料构成的路径，通过这个路径，磁场可以有效地传输和分布。铁磁材料是指那些具有强磁性的金属或合金，如

发表于 09-30 11:24 •530次阅读

铁电存储器有哪些优缺点

铁电存储器（Ferroelectric RAM, FRAM）作为一种新兴的非易失性存储器技术，凭借其独特的优势在存储市场中占据了一席之地。然

发表于 09-29 15:21 •927次阅读

铁电场效应晶体管的工作原理

铁电场效应晶体管是一种基于铁电材料的新型晶体管技术，其工作原理涉及到铁电材料的极化反转特性及其对

发表于 09-13 14:14 •1092次阅读

哪种物质可以屏蔽电磁波

电磁波是由变化的电场和变化的磁场组成的，其传播特性受到物质属性的影响。在众多物质中，金属和某些磁性材料对电磁波具有较强的屏蔽作用。金属金属

发表于 09-03 09:15 •2028次阅读

Aigtek高压放大器在铁电测试中的优势有哪些

高压放大器在铁电测试中具有多方面的优势，这些优势使其成为铁电材料研究和测试中的重要工具。以下是高

发表于 08-08 11:23 •286次阅读

ATA-7020高压放大器在铁电材料测试中的应用研究

铁电材料因其在电场作用下发生自发电极化的独特性质而在材料科学中备受关注。对铁电材料进行测试和研究是理解其性能和应用潜力的关键步骤之

发表于 08-07 11:56 •346次阅读

铁电存储器SF25C20（MB85RS2MT）在电机控制中应用

铁电存储器SF25C20（MB85RS2MT）在电机控制中应用

发表于 07-01 10:00 •508次阅读

配网线路故障精确定位装置|鼎信|金属性接地、弧光接地、低阻接地乃至高阻接地

今天，深圳鼎信智慧科技为大家科普配网线路故障精确定位装置（配网行波故障预警与定位装置）在具体的金属性接地、弧光接地、低阻接地乃至高阻接地、短路故障中是如何展开监测、定位的。配电网络的稳定性和可靠性

发表于 04-26 15:31 •471次阅读

ATA-2048高压放大器在铁电材料中有什么应用

铁电材料是一类具有特殊电学性质的材料，它们能够在外加电场的作用下产生可逆的电极化，这种电极化可以在没有外加电场时保持。这使得铁电材料在许多应

发表于 04-16 11:12 •241次阅读

FIP导电屏蔽银铜胶

导电胶水（胶粘剂），又称导电胶，是一种既能有效地胶接各种材料，又具有导电性能的胶粘剂。导电高分子材料的制备较为复杂、离实际应用还有较大的距离

发表于 03-11 08:09 •925次阅读

arcgis中如何在属性表中选择多个属性

在ArcGIS中，你可以通过多种方式来选择属性表中的多个属性。下面是一些常用的方法：方法一：使

发表于 02-25 11:10 •1.4w次阅读

网络拓扑结构的隐患和网络硬件的安全缺陷属于

，并探讨如何解决这些问题和提高网络安全性。一、网络拓扑结构的隐患网络拓扑结构是指网络中各个节点之间的连接关系。不同类型的网络拓扑结构存在

发表于 01-31 14:54 •1679次阅读

探索高铁所使用的电能形式

高铁用的电有啥不一样呢？如果说不同的话，首先体现在电压上。高铁用的电压是电网供电序列中找不到的。其次，电网里的交流电是三相的，而高

发表于 01-15 10:59 •495次阅读