图 铁电-反铁电固溶体中极性序竞争稳定斯格明子纳米畴的设计原理以及采用压电力显微镜、扫描透射电子显微镜对拓扑织构的观测结果
在国家自然科学基金项目（批准号：52372113、52232001）等资助下，青岛大学温峥教授与合作者在铁电畴结构和新一代信息技术方面取得进展。相关研究成果以“铁电-反铁电固溶体中的斯格明子纳米畴（Skyrmion nanodomains in ferroelectric–antiferroelectric solid solutions）”为题，于2025年4月15日在线发表于《自然 材料》（Nature Materials）上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02216-8。
极性斯格明子（Polar skyrmion）具有手性、负电容、场控二次谐波等一系列新奇物理特性，并且能够在原子尺度下保持稳定，在超高密度数据存储、负电容低功耗场效应器件以及高灵敏太赫兹成像等领域显示出巨大的应用潜力，推动了铁电拓扑电子学在新一代信息技术中的发展。然而，由于铁电体中存在“电极化-晶格”强耦合效应，致使极性斯格明子处于能量介稳态。目前，极性斯格明子仅存在于少数借助复杂薄膜结构来平衡能量相互作用的材料体系中，这在很大程度上阻碍了相关电子学器件的研制和CMOS系统的集成化进程。探寻新的极性斯格明子材料体系对于拓扑电子学的发展具有重要意义，但由于其苛刻的力学、电学边界条件，这一探索过程充满挑战。
青岛大学温峥教授与合作者聚焦极性斯格明子产生的两个关键因素——“电偶极子转动”与“非共线极化织构有序化”，创新性地提出了基于铁电-反铁电固溶体的斯格明子材料体系。在此体系中，铁电序与反铁电序共存，二者能量相互竞争导致电偶极子旋转。当固溶成分适宜时，非共线电偶极子有序排列形成Néel畴壁，并产生斯格明子拓扑织构（图）。在上述铁电-反铁电体系中，化学成分是唯一的控制变量，不受应变、膜厚、超晶格周期等边界条件约束。研究人员通过调整反铁电材料及固溶浓度实现了“偶极-偶极”与“反铁畸变-偶极”之间的能量竞争，并绘制出了Pb(Ti,Sn)O3、Pb(Ti,Hf)O3和Pb(Ti,Zr)O3三个铁电-反铁电固溶体系的成分相图。研究发现，相对于平凡畴，受拓扑保护的极性织构更易翻转且能够长时间保持稳定，展现了极性斯格明子在信息存储领域的巨大应用潜力。
该研究揭示了拓扑极性织构形成的新机制，证实了斯格明子电畴能够广泛存在于陶瓷和薄膜中，拓宽了极性拓扑相理论和实验研究的范畴，为铁电电子学的创新发展注入新动力。