奇異鐵電拓撲缺陷(如渦旋、斯格明子態(tài))蘊含著豐富多彩的物理現(xiàn)象和新功能，有望用于構(gòu)筑未來拓撲電子學(xué)器件。本工作分別在BiFeO3納米島內(nèi)形成的兩種拓撲缺陷(渦旋型和中心型)中發(fā)現(xiàn)了可往復(fù)擦寫的、具有準一維電子氣特征的超細金屬性導(dǎo)電通道，并提出了構(gòu)筑基于導(dǎo)電拓撲缺陷的、非破壞性電導(dǎo)讀出的隨機存儲器件方案。

“拓撲”原是一個數(shù)學(xué)概念，指的是幾何圖形或空間在連續(xù)改變變形后保持不變的性質(zhì)。這一概念被引入到凝聚態(tài)物理領(lǐng)域后，這些年留下了濃墨重彩的一筆，引起大量新物理現(xiàn)象和新拓撲材料體系的發(fā)現(xiàn)，也為未來拓撲電子學(xué)器件打開了大門。也因此，2016年諾貝爾物理學(xué)獎被授予了在該領(lǐng)域的3位開創(chuàng)者。 近十年來， 鐵電材料中的新奇極化拓撲缺陷(即極化不連續(xù)變化的奇點位置)也成為研究焦點，這類拓撲缺陷可顯著改變材料性能或帶來全新物性，并且具有可受外場調(diào)控的獨特優(yōu)勢，可以作為未來可編程拓撲電子學(xué)器件單元。

人們在常見的二維拓撲缺陷(疇壁)中已發(fā)現(xiàn)了各種有趣的性能，如導(dǎo)電增強、磁電阻、磁性、磁電耦合，壓電增強等。尤其是在電荷型疇壁中發(fā)現(xiàn)金屬性高導(dǎo)電通道，可用于構(gòu)筑電流讀出的存儲器件。然而，這類疇壁器件在存儲密度和讀寫穩(wěn)定性還存在很大問題。 近來，一些奇異的一維鐵電拓撲缺陷，如渦旋、中心疇、斯格明子、麥韌等拓撲態(tài)相繼被發(fā)現(xiàn)，引發(fā)了新一輪探索熱潮。這些發(fā)現(xiàn)為進一步探索其中所蘊含的新奇低維物性創(chuàng)造了條件，并為開發(fā)更高密度的拓撲電子學(xué)器件提供了新途徑。

有預(yù)測表明雙穩(wěn)態(tài)渦旋疇可在小至3 nm尺度穩(wěn)定存在，有望實現(xiàn)每英寸60 Tb的存儲密度，遠高于硬盤或閃存的存儲密度。當(dāng)前，盡管這類拓撲缺陷的研究發(fā)展迅猛，但其潛在新奇物性及器件用途還鮮有報道，是待挖掘的富礦。 近日，華南師范大學(xué)高興森教授課題組聯(lián)合南京大學(xué)劉俊明教授、賓州州立大學(xué)陳龍慶教授和張洋博士，在鐵電拓撲缺陷的導(dǎo)電性研究取得進展。他們分別在兩種拓撲缺陷中發(fā)現(xiàn)了可受外場調(diào)控、并具有準一維電子氣特征的導(dǎo)電通道。

圖1：兩種拓撲態(tài)(四象限渦旋型和中心匯聚型)的拓撲疇結(jié)構(gòu)及其導(dǎo)電特性：

a, 用于探測BiFeO3納米島陣列上拓撲缺陷導(dǎo)電性的實驗設(shè)置原理圖，其中原子力形貌圖被疊加上中心匯聚型拓撲疇陣列的電流分布的導(dǎo)電原子力(CAFM)測試圖。

b, 四象限渦旋態(tài)和中心匯聚態(tài)的疇結(jié)構(gòu)示意圖以及對應(yīng)的典型導(dǎo)電特性。其中渦旋中心(即渦旋核)以及中心匯聚型的缺陷中心均呈現(xiàn)出明顯的導(dǎo)電增強，而外圍疇壁則呈現(xiàn)出不同導(dǎo)電性。CDWs和NDWs分別表示構(gòu)成這兩種拓撲疇結(jié)構(gòu)的帶電疇壁和71°中性疇壁。 該工作主要利用壓電和導(dǎo)電原子力顯微鏡，在BiFeO3(BFO)納米島中觀測到在四象限渦旋型和中心匯聚型的拓撲缺陷中心，并證實其為高導(dǎo)電金屬性通道 (見圖1)。

通過相場模擬，我們進一步揭示了電荷型的中心匯聚拓撲中心之電導(dǎo)主要由缺陷處匯聚的屏蔽載流子引起，而中性渦旋中心的導(dǎo)電則源于外場誘導(dǎo)產(chǎn)生的類中心匯聚型極化扭曲態(tài)。模擬還揭示，這兩種金屬性導(dǎo)電通道的直徑都小于3 nm、類似一維電子氣通道。更有趣的是，通過施加電壓，可以往復(fù)寫入或擦除這類導(dǎo)電通道、并伴隨著高低電阻態(tài)的切換，其開關(guān)電阻比超過三個量級 (見圖2)。

圖2. 渦旋型和中心型導(dǎo)電拓撲缺陷的擦寫以及基于拓撲缺陷的隨機存儲器件構(gòu)想：

a, 兩種拓撲態(tài)的導(dǎo)電態(tài)調(diào)控(拓撲缺陷的擦寫及翻轉(zhuǎn))；b, 拓撲態(tài)的擦寫及翻轉(zhuǎn)總結(jié)示意圖；c, 基于可擦寫拓撲缺陷的cross-bar 架構(gòu)的隨機存儲器件構(gòu)想；d,e, 基于兩種拓撲態(tài)建構(gòu)的概念器件工作性能測試：反復(fù)擦寫(d)及穩(wěn)定(e)特性。

由于拓撲保護特性，這種拓撲器件表現(xiàn)出很強的抗疲勞和抗溫度干擾特性，可在室溫中放置至少12天(我們實驗測試的最長時間)或在150℃ 放7000秒(也是我們實驗測試的最長時間)后其開關(guān)電阻比保持穩(wěn)定?；谥行男腿毕莸钠骷诓翆?06循環(huán)后其電阻比依然保持85%以上。該成果也展示了這類高導(dǎo)電拓撲缺陷用于構(gòu)筑新一代超高密度拓撲存儲器件的可行性，并為探索這類新奇拓撲缺陷中潛在新奇物性及其拓撲電子學(xué)器件應(yīng)用提供了一個實例。

該研究成果以“Quasi-one-dimensional metallic conduction channels in exotic ferroelectric topological defects”為題，發(fā)表在Nature Communications(Doi: 10.1038/s41467-021-21521-9) 上。華南師范大學(xué)高興森教授為該論文的通訊作者、博士生楊文達和青年英才學(xué)者田國博士為共同第一作者。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、廣東省科技廳、廣州市科委的項目支持。

編輯：jq