哈工大(深圳)Adv. Mater: 铁性薄膜和异质结拓扑结构的研究进展

致铁性拓扑

悠悠铁性蕴天机，

妙相新畴百态稀。

拓扑寻踪如是幻，

斯格霍尔最传奇。

磁泡半子分天地，

正反涡旋两太极。

奈尔伊辛布洛赫，

功能畴壁惹人迷。

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背景介绍

拓扑学是数学中的一个重要分支，主要研究拓扑空间在拓扑变换下的不变性质和不变量。2016年,诺贝尔物理奖颁发给了三位美国科学家：戴维索利斯（David Thouless）、邓肯霍尔丹（Duncan Haldane）和迈克尔科斯特利兹（Michael Kosterlitz），以表彰他们在“拓扑相变以及拓扑材料方面的理论”的贡献。近年来，拓扑学与材料物理和性能的关联越来越紧密。拓扑学的概念正在应用于越来越多的学科领域。

例如，拓扑的概念已被引入来研究凝聚态物理中的各种奇异态，特别是实空间中与极性/自旋构型相关的拓扑结构以及动量空间中的拓扑输运现象。在众多拥有拓扑结构的材料中，铁性薄膜材料，如铁电、铁磁和多铁材料，由于场致翻转的自发极性/磁有序，在信息存储和传感驱动等领域具有极大应用价值，从而引起了人们的极大兴趣。最初，拓扑被引入到磁性材料当中，随着理论计算、材料合成以及物性表征技术的快速发展，越来越多自旋拓扑结构被预测和发现，如涡旋态（vortex），斯格明子（skyrmion），麦纫（meron）等等，这些磁性拓扑态的形成大多与退磁化场和Dzyaloshinskii-Moriya (D-M)相互作用有关，各种相互作用竞争使得铁磁材料中相邻的两个磁矩成某个倾斜的角度，从而使得自旋拓扑结构的形成。

然而，在铁电材料当中，虽然不存在D-M相互作用和磁交换作用，但是由于弹性能、静电能和梯度能之间的相互竞争，铁电体系也存在类似于磁性拓扑态的非平凡拓扑结构。最近的研究表明，非平凡自旋/极性拓扑结构的出现均伴随着大量新奇的物理特性（如拓扑霍尔效应和负电容等）。当今，与铁电/铁磁相关联的非平凡拓扑结构已为下一代高密度存储器件重要研究方向之一，这为材料科学以及凝聚态物理学的相关研究打开了一扇崭新的大门。

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成果简介

近日，哈尔滨工业大学(深圳)陈祖煌教授与华南师范大学侯志鹏副研究员和中科院金属所唐云龙研究员等在Advanced Materials在线发表了题为“Recent Progress on Topological Structures in Ferroic Thin Films and Heterostructures”的长篇进展报告文章。文章的共同第一作者为陈祖煌教授课题组内博士生陈善全、博士后袁帅和华南师范大学侯志鹏，哈工大(深圳)为第一完成单位和通讯单位。

文章系统综述了近十年来铁性薄膜和异质结拓扑结构的研究进展，包括磁性/极性拓扑结构（如畴壁、麦纫、斯格明子等）的观测以及通过外延应变、原子层厚、电场、磁场等控制其结构演变和随之涌现的物理现象。文中首先讨论了磁性金属/氧化物薄膜和异质结中拓扑自旋结构(如：磁性斯格明子)的演变和相关功能特性(如拓扑霍尔效应)。随后，作者总结和评述了铁电氧化物薄膜和异质结中独特的极性拓扑结构(如畴壁, 通量全闭合畴, 极性涡旋畴, 铁电泡畴, 极性斯格明子等)和与其相关的奇异物理特性(如负电容，电导，微波调谐等)。最后，作者对铁性薄膜和异质结的拓扑结构的发展前景提出了建设性的观点和展望，以促进该领域的快速发展。

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图文解读

1、引言

铁性(铁磁、铁电等)材料拥有丰富的极性/自旋非共线拓扑结构，如畴壁、通量全闭合畴、涡旋畴与反涡旋畴、磁泡、斯格明子和麦纫等，如图一所示。相对于铁电材料，磁性材料的拓扑结构已经得到了广泛的研究，拓扑结构和导电电子自旋之间的相互作用可以导致许多新型的拓扑性质(如拓扑霍尔效应)和潜在的自旋电子学应用。在观察磁性材料中各种各样的自旋拓扑结构的启发下，铁电体的极性拓扑结构的研究也引起了研究者们极大的兴趣。在铁电体中，弹性能、静电能和梯度能之间的相互竞争，铁电材料也会出现自发的非平凡拓扑结构。同时，会导致一系列新的功能特性，如增强的电子电导率、增强的磁性、巨力电耦合效应和负电容等。铁性薄膜和异质结的拓扑结构的研究对纳米电子器件的快速发展起着至关重要的作用。

图一：铁性体的典型拓扑结构示意图。a)畴壁(伊辛、奈尔和布洛赫型)；b)通量全闭合畴；c)涡旋畴与反涡旋畴；d)磁泡(软磁泡和硬磁泡)；e)斯格明子(布洛赫型和奈尔型)；f)斯格明子的映射球(螺旋型和刺猬型)；g)麦纫 (涡旋型和刺猬型)。

2、磁性薄膜和异质结中的拓扑结构

近十年来，磁性金属薄膜/异质结中以磁性斯格明子为代表的拓扑结构由于其新奇的物理现象以及其在高速、非易失、低功耗自旋电子器件领域的应用而引起了人们极大的兴趣。最近几年，人们发现磁性氧化物(如SrRuO3)外延薄膜/异质结由于其自旋、电荷、轨道和晶格自由度之间的关联作用也会导致斯格明子或者类似于斯格明子的磁性拓扑态的出现。氧化物薄膜和异质结中，实验上直接观察斯格明子具有很大的挑战性，因此主要通过拓扑霍尔效应来探测斯格明子的存在。同时，氧化物薄膜和异质结的拓扑霍尔效应可通过外场(如电场等)来调控。然而，氧化物薄膜和异质结的磁性斯格明子等拓扑结构的研究目前还处于初始阶段，如氧化物中斯格明子存在的确切证据仍然有一定争议，仍然需要更可靠的表征手段和理论研究进一步确定，该领域上各种复杂的科学问题需要科学家们共同努力去解决。

图二：金属磁性薄膜和异质结中的斯格明子。a)多层异质结界面的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用；b)低温下PdFe多层膜的磁态操控；c)Pt/Co/MgO纳米结构中Néel型斯格明子的XMCD-PEEM成像；d)Pt/Co/Fe/Ir多层膜斯格明子态的磁力显微镜成像；e)Co/Pd和Co纳米点杂化结构中人造斯格明子的磁力显微镜成像；f)自旋阻挫示意图；g) Fe3Sn2磁体中阻挫斯格明子的洛伦兹透射电镜成像；h) g中阻挫斯格明子的自旋纹理结构；i)反铁磁斯格明子(右)和人工合成反铁磁(左)的原理图。

图三：斯格明子的写入、删除和读取。a)斯格明子基的赛道存储器示意图；b)利用脉冲在斯格明子基的赛道存储器中形成斯格明子；c)电流诱导阻挫斯格明子的螺旋性翻转；d)利用自旋极化的扫描隧道显微镜对电场诱导的Fe三层膜中单个磁性斯格明子的写入和删除；e)随着斯格明子的形成，霍尔电阻的变化。

图四：SrRuO3异质结中的拓扑霍尔效应以及相关调控。a-c)SrRuO3-SrIrO3多层膜中的拓扑霍尔效应；d-f)在门电场的作用下SrRuO3/SrIrO3/SrTiO3异质结的拓扑霍尔效应；g-i)通过铁电极化翻转控制BaTiO3/SrRuO3/SrTiO3异质结的拓扑霍尔效应。

3、铁电/铁弹薄膜和异质结中的拓扑结构

近年来，铁电材料中的拓扑结构由于其在纳米尺度上的潜在应用而受到广泛的关注。在铁电薄膜和超晶格异质结体系中，各种铁电拓扑畴结构在不同能量之间的协同与竞争作用下被认为可以稳定存在。随着实验技术的发展，非伊辛畴壁、手性涡旋畴、铁电泡畴、极性斯格明子等拓扑畴结构在铁电体系中被相继发现。特别地，在钛酸铅(PbTiO3)-钛酸锶(SrTiO3)超晶格中室温极性斯格明子的发现表明了复杂拓扑畴结构可以在特定条件下稳定存在于铁电体系中，这一发现同时暗示了铁电麦纫(meron)、霍普夫子(hopfion)等稳定存在的可能性。在此基础上，研究者进一步研究发现了铁电拓扑畴结构中各种奇异的功能特性，如畴壁的电导、负电容、微波可调性，涡畴的手性、负电容等，进而研究了不同功能特性在外电场、失配应变等外激励调控下的变化规律。此外，铁弹畴壁中的拓扑缺陷，如布洛赫线等，也在文中做了梳理和介绍。

图五：功能性铁电畴壁。a) PbZr0.4Ti0.6O3中的非伊辛畴壁；b)畴壁存储器与多态；c) (PbTiO3/SrTiO3)超晶格中的负电容；d)Ba0.8Sr0.2TiO3薄膜中因畴壁共振引发的微波可调性和超低损耗。

图六：铁电薄膜中的畴壁导电。a)电中性畴壁和带电畴壁示意图；b)(Bi0.9La0.1)FeO3外延薄膜中可重复的带电畴壁及其类金属导电性；c)自组装铁酸铋纳米岛中拓扑受限的带电畴壁，其中尾对尾型带电畴壁中电流比头对头型高三个数量级。

图七：PbZr0.2Ti0.8O3中的通量全闭合畴。a-b) PbZr0.2Ti0.8O3薄膜中的通量全闭合畴；c-e) PbTiO3/SrTiO3多层膜中的通量全闭合阵列。

图八：铁电超晶格(PbTiO3)n/(SrTiO3)n中的涡畴阵列。a) 截面扫描透射电镜高角环形暗场像中涡畴阵列的原子极性位矢图；b)涡畴阵列的实验与相场模拟对比图；c) 涡畴处的负电容效应；d) 能量密度与超晶格层数的关系图；e) 在光场和热场调控下共存相与超晶格相之间的相互转化。

图九：PZT/STO/PZT异质结中的泡畴。a) 三层结构的示意图；b) 压电力显微镜下观测到的泡畴；c) 截面扫描透射电镜高角环形暗场像及其局部纳尺度畴结构；d) 薄膜内部纳尺度畴结构的蒙特卡洛模拟。

图十：铁电材料中极性斯格明子的理论预测与实验观察。a-d) BaTiO3/SrTiO3复合材料中稳定的斯格明子态；e-i) (PbTiO3)n/(SrTiO3)n超晶格中极性斯格明子的实验观测与第二性原理模拟。

4、总结与展望

在这篇文章中，作者总结了近十年来铁性薄膜和异质结中拓扑结构的研究进展。作者强调了纳米尺度自旋/极性拓扑结构在新技术应用的重要性，如高密度、低功耗、高速存储器和逻辑器件。尽管这些拓扑结构已经得到了广泛的研究并取得了一系列创新性的研究成果。然而，对铁性薄膜和异质的拓扑结构研究还处于起步阶段，存在许多有待解决的问题，如：铁电涡旋畴和斯格明子的多场调控，氧化物薄膜和异质结中磁性斯格明子的确切证据，是否存在周期有序的极性拓扑结构（如极性斯格明子晶格）和新的极性拓扑结构（如铁电麦纫和霍普夫子），如何在纳米尺度上读、写自旋/极性拓扑结构的手性以及拓扑结构在其他材料体系(如多铁Cu2OSeO3和BiFeO3等)和其他对称性体系(如不对称超晶格体系)的拓展问题。

Recent Progress on Topological Structures in Ferroic Thin Films and Heterostructures (Adv. Mater. 2020, 2000857), https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202000857