近日，中国科学院金属研究所、松山湖材料实验室和中国科学院东莞材料所等研究机构相关团队联合攻关，在经典的反铁电材料——超薄锆酸铅(PbZrO₃)薄膜中发现了电极化拓扑与一维结构拓扑缺陷的强相互作用。他们通过超高分辨电子显微学成像与谱学研究，发现晶体材料中经典一维拓扑线缺陷——“位错”的应变场能在PbZrO₃反铁电薄膜中自发诱导出一种有序的极性“反刺猬畴”四方晶格，是一种全新的电极化拓扑结构。3月13日，Nature Communications杂志在线发表了该研究成果。

反铁电材料因其在介电储能、电致应变等方面的巨大应用潜力而备受关注。其内部相邻晶胞的电偶极矩方向在基态时呈反向排列，在单胞尺度相互抵消，形成稳定的反平行极化结构，不显示宏观极化特性。在铁电材料中，通过应变、界面调控能诱导电偶极矩产生连续旋转从而诱导形成新型极化拓扑结构（如团队相关研究成果：极化通量闭合畴(Science 2015)、极化麦韧晶格(Nature Mater. 2020)等）。长期以来，受限于巨大的能量壁垒，学界通常认为在反铁电材料中很难诱导产生极化连续旋转从而制备新型极化拓扑结构。

该研究团队另辟蹊径——他们将目光投向了晶体中经典的一维拓扑缺陷“位错”。通过原子分辨能力透射电子显微技术，研究人员在高质量的PbZrO₃薄膜中观测到界面位错核心成为电极化矢量的汇聚点。周期性界面位错核心在超薄膜中形成了周期性的非均匀应变场，应变场与电偶极矩之间产生强相互耦合，从而在位错阵列之间形成了周期性排布的极化“反刺猬畴”四方晶格。

结合相场模拟，研究团队揭示了这一奇特现象背后的物理机制：电致伸缩效应与挠曲电效应的共同强耦合作用。位错核心附近存在的巨大的应变与应变梯度，这些应变与应变梯度对应的电致伸缩效应与挠曲电效应产生了局部的有效电场，从而驱动了电极化的旋转和重新排布，克服了反铁电材料中固有的反平行极化耦合，从而诱导产生了周期极化“反刺猬畴”四方晶格。这项研究首次展示了反铁电材料中极性拓扑结构与晶体结构拓扑缺陷（位错）之间的强相互作用。它不仅揭示了位错作为拓扑缺陷，可以成为一种调控电极化拓扑态的“新工具”，更在反铁电体中建立了一种全新的、由缺陷工程驱动的极化拓扑结构设计范式。

该发现拓展了反铁电材料的凝聚态物理认识，为开发基于反铁电材料的高密度存储和新型逻辑单元提供了新的思路和材料平台。

该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、金属所创新基金等项目的资助。

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图1.反铁电PbZrO₃超薄膜中一维拓扑缺陷-位错与极化拓扑结构强相互作用。(a) TEM平面样形貌图显示周期性晶格衬度。(b) 平面电子衍射花样。(c)平面样的原子图像。(d)对应的极化矢量图。(e) “刺猬畴”和“反刺猬畴”结构。(f) 三维“反刺猬畴”四方晶格。(g) 超薄膜截面全元素原子像。(h)，(i) Pb原子、Pb-O原子极化位移矢量图。

图2.界面位错核心原子、成分及薄膜压电性能表征。