Advanced Materials | 扭曲骶铊氧膜中的柔电诱导极性拓扑

最近实现了钙钛矿氧化物的独立膜，使其能够确定性地机械组装成扭曲的同质双层。扭曲氧化物界面具有非均匀剪切应变模式，由原子登记系统通过该化合物家族强离子共价键确定。扭曲铁电体为调整拓扑极地景观提供了前所未有的机会，这种耦合由极化与莫尔重合图调制产生的大应变梯度之间的屈电耦合决定。然而，柔电现象是一种普遍现象，可能在非铁电材料中产生极地景观。这里我们报告了 SrTiO₃（STO）一种顺电中心对称化合物的扭曲膜中的极性拓扑。极地景观由扭转触发的应变调制驱动的屈电诱导极化生成，同时也得到了基于第一原理计算的机器学习力场的支持。我们还进一步证明，顶层和底层的应变和极化模式以一种破坏反演和镜像对称性的方式相关，这些都由扭转带来的涌现手征性决定。这一发现为探索新颖物理效应和功能带来了激动人心的机会。该研究以题为“Flexoelectrically Induced Polar Topology in Twisted SrTiO3 Membranes”发表在Advanced Materials 上。

扭曲 STO 双层中的柔电极化涡旋。10°顺时针（CW）扭曲 STO 双层界面莫尔条纹的平面视 STEM-HAADF 图像（离焦 = −12 nm）(a)、6°CW 扭曲 STO 双层（9 nm 厚层）（离焦 = −9 nm）(d) 以及 2.5°CW 扭曲 STO 双层（16 nm 厚层）（离焦 = −16 nm）(g)。蓝色（红色）圆圈标记最大原子对原子重合的 AA（AB）位点（见正文）。b 顶层 STO 表面（离焦 = 0 nm）测得的 GPA 剪切应变（εxy）图，对于10°CW (b)、6°CW (e) 和 2.5°CW (h) 扭曲 STO 双层，显示与莫尔条纹相同周期的周期性应变调制。c 顶层 STO 的 Ti─Ti 位移图 (dTi − dTi)，在减去均匀分量后（黑色箭头为清晰起见放大 50 倍），叠加了极化环矩（Q）的等高线图，对于 10°CW (c)、6°CW (f) 和 2.5°CW (i) 扭曲 STO 双层。蓝色逆时针（CCW）和红色顺时针（CW）极化涡旋分别位于 AA 和 AB 位点。

极性涡旋的手性。测量在8°逆时针（CCW）扭曲STO双层（层厚为15nm）顶表面的剪切应变（εxy）图(a)以及10°顺时针（CW）扭曲STO双层（层厚为12nm）顶表面的剪切应变图(d)。蓝色（红色）圆圈表示AA（AB）位点。在减去顶层均匀分量后（黑色箭头为清晰起见放大50倍）的Ti─Ti位移图(dTi − dTi)叠加在对应极化的环形矩（Q）上，分别为8°逆时针扭曲STO双层(b)和10°顺时针扭曲STO双层(e)。从顶层应变梯度（挠电场）获得的极化场箭图以及其环形矩等高线图，分别为8°逆时针扭曲STO双层(c)和10°顺时针扭曲STO双层(f)。注意，对于顺时针扭曲双层，相对于逆时针扭曲，AA（AB）位点的挠电场和极化场的手性发生了反转。

极涡手性在上下层的相关性。a 8°（逆时针）扭曲STO双层界面处摩尔图案的STEM-HAADF平面图像（失焦 = −15 nm）。顶层STO的剪切应变（εxy）图（失焦 = 0 nm）（b）及底层STO底表面的剪切应变图（失焦 = −30 nm）（e）。在减去均匀分量后的Ti─Ti位移图（dTi − 〈dTi〉）（黑色箭头放大50倍以便观察），叠加其涡旋矩（Q）图的等高线图，顶层STO（失焦 = 0 nm）（c）及底层STO底表面（失焦 = −30 nm）（f）。从剪切应变梯度场（柔性电场）中得到的极化场箭头图，以及其涡旋矩的等高线图，顶层STO（失焦 = 0 nm）（d）及底层STO底表面（失焦 = −30 nm）（g）。底层地图相对于顶层旋转。注意在顶层和底层的AA（AB）位点上柔性电场和极化场的手性反向。

根据第一性原理的理论计算。我们通过原子计算得到的SrTiO3层的偶极和剪切应变图。我们展示了来自8 × 8 × 2模拟盒中一层在平面内2 × 2重复（另一层几乎相同）。虚线表示我们模拟盒的边界。箭头表示Ti原子相对于氧八面体中心的位移。实心灰线沿Sr子晶格绘制（每个交点处有一个Sr原子），我们为了可视化将完美方形Sr子晶格的畸变放大了50倍。将涡旋状偶极模式施加并固定在无应变晶胞上，会出现所显示的剪切应变。同样，将Sr子晶格畸变（以及剪切应变图）施加和固定在没有局部偶极的SrTiO3层上，通过结构优化将出现所显示的涡旋偶极结构。蓝色（红色）圆表示AA（AB）位点。 SrTiO3层的示意图显示了剪切应变大致恒定的区域，正应变（红色）或负应变（蓝色）由零应变区域分隔，这些零应变区域对应文中讨论的AA和AB位点。黑色箭头表示由挠电效应引起的极化；这些箭头与负挠电系数 𝜇_eff xyxy < 0 一致，并且对应于实验中观察到的涡旋和反涡旋。需要注意的是，如果在任意晶格点（由四个晶胞共享，并有四个相关的晶胞角）处，我们总能找到指向具有最大角度（>90°）的晶胞的箭头，那么挠电极化可以直观地理解。

总结

有趣的是，这些涡旋的旋转方向完全由扭转方向控制：顺时针扭转与逆时针扭转在相同的晶格位置上会产生旋转方向相反的涡旋。实验还揭示，上下两层膜的应变与偏振模式相互关联但具有相反的手性，体现了扭转所赋予的整体手性特征。这一发现不仅为在非铁电材料中操控极性拓扑结构提供了全新途径，也为探索由此产生的独特物理性质与功能器件开辟了新的可能性。

参考文献：

DOI: 10.1002/adma.202512969