【儀表網 研發快訊】鐵電材料中，疇界作為分隔不同極化取向區域的關鍵界面，其結構直接影響材料的電導率、電磁耦合等功能特性。傳統鐵電材料中的疇界多呈現頭-尾排列的電中性構型，以盡可能降低靜電能。然而，近年來在單質鉍(Bi)單層二維鐵電材料中發現的本征穩定180°帶電疇界，突破了這一傳統認知，為鐵電疇界的基礎研究與功能器件應用開辟了新方向。由于二維鉍烯中電子型極化較弱，其疇界能主要由應變能主導，而非傳統鐵電材料中的靜電能，這使得180°帶電疇界成為該體系中最穩定的疇界構型。在此背景下，理解并調控此類帶電疇界在有限溫度下的動態行為及其所形成的拓撲疇結構，已成為實現其功能化應用的關鍵挑戰。
針對上述問題，西安交通大學材料學院強度室鄧俊楷教授與澳大利亞墨爾本大學劉哲教授合作，通過深度勢能分子動力學(DeePMD)模擬，在單質Bi烯二維材料中首次發現了一種由“疇對”交織構成的新型鐵電拓撲疇結構，并進一步探究了其在機械載荷下的拓撲魯棒性和疇界演化行為。研究團隊通過精確調控模擬條件，探索了有限溫度下四種典型疇界(帶電/中性90°與180°疇界)的熱力學與動力學特征(圖1)，并揭示了180°帶電疇界獨特的Shuffle型極化翻轉機制(90°疇界為傳統的成鍵-斷鍵機制)。
圖1 有限溫度下四種典型疇界的動力學特性
進一步通過高溫退火模擬，團隊發現了Bi烯具有獨特的“疇對交織”的棋盤狀拓撲疇結構(一組極化相反鐵電疇稱為一個“疇對”)。其中，180°帶電疇界決定了兩組正交鐵電疇對的形成，而90°疇界則為不同疇對之間的轉變提供了媒介(圖2)。此外，研究中觀察到的四種不同方向鐵電疇交匯處形成的渦旋拓撲疇結構，具有優異的拓撲穩定性。本項研究首次在單質二維鐵電體中揭示了由帶電疇界主導的拓撲疇結構及其動態演化規律，為理解與設計新型鐵電拓撲材料提供了全新的理論基礎與實現路徑，有望在高密度數據存儲、神經形態計算、量子器件及柔性電子等領域獲得應用。
圖2 棋盤狀多疇結構的形成
本項研究成果近期以《單質二維鉍烯中疇對交織的拓撲疇結構》(Domain-Pair Intertwined Topological Domain Structures in Elemental Bi Monolayer)為題發表于物理學權威期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)。西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室為本論文第一完成單位，材料學院博士生洪云飛為論文第一作者，鄧俊楷教授和墨爾本大學劉哲教授為共同通訊作者。本項研究得到了國家自然科學基金面上項目、陜西省重點研發計劃等資助。研究也得到西安交通大學校級高性能計算平臺提供的算力和技術支持。
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