南京大學今日Nature：新突破！基于硅襯底實現拓撲結構域設計，為鐵電存儲器助力！

【引言】

最近的發現表明，鐵電極化可以形成復雜的拓撲結構，包括磁通閉合域、渦旋、極性skyrmion（斯格明子）、?merons?等。由于極化和電荷分布的不連續性，非均勻的極性紋理可能會產生與體相不同的涌現功能，在下一代電子設備中具有新應用的潛力。鐵電體中的拓撲結構域由于其新穎的功能和在電子器件中的潛在應用，近年來受到了廣泛的關注。例如，納米尺寸的極性斯格明子陣列，如果它們可以輕松讀取和寫入，將有望用于遠高于每平方英寸的超高密度記錄。盡管有這些豐富的物理特性和有前景的潛在應用，但將這些拓撲紋理集成到基于硅的技術中仍然具有挑戰性。到目前為止，這種拓撲極性結構僅在氧化物襯底上生長的超晶格中觀察到，這限制了它們在硅基電子產品中的應用。

今日，南京大學聶越峰教授和吳迪教授，聯合美國加州大學歐文分校潘曉晴教授（共同通訊作者）等人報告了在轉移到硅上的鈦酸鉛/鈦酸鍶（(PbTiO₃)₂₀/(SrTiO₃)₁₀）雙層中實現了室溫下類skyrmion極性納米域。此外，外部電場可以將這些納米域可逆地轉換為另一種類型的極性結構，這大大改變了它們的電阻行為。極性配置調制電阻，歸因于兩種極性結構核心中明顯的帶彎曲和電荷載流子分布。更加重要的是，在Si上集成高密度（每平方英寸超過200千兆位）可切換的斯格明子極性納米域，可以使利用氧化物中的拓撲極性結構的非易失性存儲器應用。

相關研究成果以“High-density switchable skyrmion-like polar nanodomains integrated on silicon”為題發表在Nature上。

【圖文導讀】

圖一、基于PFM測量的PTO?20/STO?10雙層中的高密度極性納米域

利用水溶性鋁酸鍶（Sr₃Al₂O₆；SAO）作為犧牲層，在SrTiO₃（001）基底上生長一系列(PbTiO₃)_m/(SrTiO₃)_n(（其中m和n為晶胞的數量）雙層膜。然后通過將SAO緩沖層溶解在去離子水中釋放雙層并層壓在鍍鉑硅（Si）（001）襯底上（圖1a?）。同時，通過矢量壓電顯微鏡（PFM）對雙層的域結構進行了表征。原始狀態顯示兩種圓形納米域，在圖1b中以紅色和藍色圓圈突出顯示，其放大的PFM圖像如圖1c、d所示。

圖二、利用垂直PFM和4D STEM對PTO20/STO10雙分子層中極性納米域的極化映射

通過將樣品順時針旋轉一組給定的角度（圖2a），LPFM幅度圖像中的暗線隨著懸臂連續旋轉，并且相位圖像始終顯示懸臂左側和右側之間的偏振的180°相位反轉，這意味著面內偏振具有圍繞納米域中心的旋轉對稱。按照先前研究中提出的方法，本文的平面矢量PFM映射顯示的紅色圓圈納米域具有中心發散模式（圖2b）。結合面外和面內偏振信息，紅色圓圈納米域的極性紋理如圖1c所示，表明這些紅色圓圈納米域是Néel型skyrmion狀納米域。為了確認在PFM測量中觀察到的極性紋理確實是拓撲結構，還使用納米級電子探針通過四維掃描透射電子顯微鏡（4D STEM）進行了偏振映射。

圖三、PTO/STO雙層中類skyrmion納米域的有效哈密頓模型模擬圖四、集成在硅上的極性納米域的電阻行為

【小結】

綜上所述，本文報告了在PbTiO₃/SrTiO₃中觀察到兩種類型（中心發散和中心收斂）的skyrmion狀極性納米域，可以通過施加外部電場相互轉換。已經證明了基于這些拓撲納米域的高密度電阻存儲器，可以通過切換納米域的類型來控制“開”和“關”狀態。這種集成在硅上的極性紋理有幾個獨特的優點：（1）由于只有一層類skyrmion納米域而不是多層相互作用，因此更容易通過外部電場切換每個單獨的納米域，從而實現有效的“寫入”操作。此外，在沒有多層納米域之間的干擾的情況下，它可以通過PFM測量直接映射偏振模式，這實際上是一種非破壞性的“讀取”操作；（2）由于它是對電阻狀態的直接測量，因此這種“讀取”操作可以比傳統的鐵電隨機存取存儲器快得多，傳統的鐵電隨機存取存儲器的讀取過程具有破壞性，因此需要先讀后寫架構；（3）更重要的是，這種獨特的結構可以集成在硅片上。在硅上集成高密度可切換類skyrmion極性納米域可以實現在氧化物中使用拓撲極性結構的非易失性存儲器應用。

文獻鏈接：“High-density switchable skyrmion-like polar nanodomains integrated on silicon”(Nature，2022，10.1038/s41586-021-04338-w?)

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