清華材料學院研究團隊在鐵電聚合物中發現極性渦旋拓撲新物態


清華新聞網3月9日電 近日,清華大學材料學院南策文院士、沈洋教授帶領的研究團隊首次在鐵電聚合物中發現渦旋極性拓撲新物態,並展示了渦旋極性拓撲導致的空間週期性太赫茲吸收現象。該研究工作豐富並深化了極性拓撲物態的內涵和外延,為柔性鐵電材料中的拓撲物態調控開闢了新範式,也為柔性電子器件中的多場激勵轉換提供了新的設計思路。

序參量在實空間中的渦旋性組裝是近年來的凝聚態物理領域的前沿問題,相關實驗現象如磁性斯格明子、極性渦旋、極性斯格明子等已在氧化物體系中被系統性地研究與報道。然而到目前為止,聚合物材料中的相關研究仍為罕見。通過製備鐵電聚合物P(VDF-TrFE)的取向單晶薄膜,南策文、沈洋所帶領的研究團隊在受應變的聚合物單晶中觀察到了具有顯著渦旋序的極性拓撲,解析了鐵電聚合物居里相變過程引入的雙軸拉伸應變對渦旋序的促進作用。聚合物材料具有獨特的主鏈旋轉自由度,拉伸應變的引入將減少各旋轉角度的自由能差異,可促進主鏈與極化在空間中的連續轉動,從而誘導渦旋序在聚合物晶體中的產生。基於聚合物分子共振吸收的各向異性,研究中提出並驗證了聚合物單晶中的高分辨空間週期性太赫茲吸收,可為太赫茲光柵與空間光調製器的設計提供材料基礎。

鐵電聚合物薄膜(左)展現渦旋極性拓撲(中)與空間週期性太赫茲吸收(右)

此外,傳統的鐵電聚合物極化響應理論認為聚合物的鐵電響應主要源於主鏈旋轉帶來的偶極子轉動,而在平行於主鏈的方向則沒有鐵電響應。由於取向聚合物單晶薄膜中具有垂直於膜面的聚合物主鏈取向,該研究工作確認了薄膜在平行於主鏈方向仍具有顯著的鐵電、壓電、介電響應。相關結果進一步豐富並深化了人們為聚合物的鐵電響應機制的認識。

鐵電聚合物中平行於主鏈方向的鐵電(左上)、壓電(右上)、介電(下)響應

3月5日,上述研究工作以《應變鐵電高分子中的渦旋極性拓撲》(Toroidal Polar Topology in Strained Ferroelectric Polymer)為題,在線發表於《科學》(Science)期刊。《科學》期刊同期配發題為《極化的旋轉和渦旋》(Whirls and Swirls of Polarization)的觀點文章。文章作者美國加州大學伯克利分校教授萊恩·馬丁(Lane Martin)對該工作的背景進行了詳細介紹,對其意義給予了高度評價,稱“研究代表了一片材料結構設計廣闊空間的開始,將在複雜材料中體系中誘導出新奇的介電、光學等物性”。

清華大學材料學院2016級博士生郭夢帆為本論文的第一作者,沈洋教授與南策文院士為論文的共同通訊作者。清華大學材料學院林元華教授、王軻副研究員、易迪助理教授、李千助理教授、馬靜副教授、徐賁助理研究員,美國賓夕法尼亞州立大學陳龍慶(Long-Qing Chen)教授,澳大利亞卧龍崗大學張樹君教授,北京理工大學黃厚兵副教授,北京大學高鵬研究員,美國阿貢國家實驗室約瑟夫·斯特扎爾卡(Joseph Strzalka)博士為本研究提供了重要幫助。本工作的開展獲得了國家自然科學基金基礎科學中心項目、國家傑出青年基金、國家重點研發項目的大力支持。

論文鏈接:

//science.sciencemag.org/content/371/6533/1050

供稿:材料學院

編輯:李華山

審核:呂婷

2021年03月09日 13:10:57  清華新聞網

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