近年来，纳米尺寸的拓扑极性结构因其独特的物理特性在电子学应用中展现出巨大的潜力，特别是在高密度信息存储设备和低功耗场效应晶体管等领域。这些结构，如极性闭合域、涡旋、斯格明子、环形结构和布洛赫点等，通过平衡弹性能、静电能和极化梯度能的竞争，在铁电氧化物薄膜中得以稳定存在，引起了研究人员的广泛关注。然而，尽管这些拓扑极性结构在理论研究和实验探索中取得了显著进展，但其在外界刺激下的动态演化机制仍然不够清晰。例如，温度、光场、电场和应变场等外部条件如何影响这些结构的相变行为，仍需要进一步的研究和解释。此外，如何在外界刺激下实现大规模周期性拓扑极性阵列的调控，也是当前面临的一个重要挑战。现有的研究多集中在单个或少量拓扑结构的生成和移动上，而如何从普通的铁电畴结构通过外部刺激生成大规模的拓扑极性阵列，仍然是一个有待解决的问题。

为了推动这些拓扑极性结构在电子器件中的实际应用，理解其在外界电场等刺激下的动态演化过程至关重要。尽管已有一些研究揭示了拓扑极性结构在电场作用下的相变行为，如极性涡旋在电场作用下转变为极性斯格明子气泡，或闭合域转变为波状态或单极化态，但这些研究多集中在单一结构的相变上，缺乏对大规模阵列生成和调控的系统性研究。此外，现有的实验手段，如压电力显微镜（PFM），虽然能够写入和擦除极性结构，但其分辨率限制了生成结构的尺寸，难以实现纳米级别的精确调控。因此，如何在纳米尺度上通过外部电场等刺激实现大规模拓扑极性阵列的可逆调控，仍然是当前研究中的一个重要难题。这一问题的解决不仅有助于深入理解拓扑极性结构的动力学行为，还将为未来的纳米电子器件设计提供新的思路和方法。

针对上述问题，松山湖材料实验室大湾区显微科学与技术研究中心的研究人员利用了威尼斯886699的原位TEM进行了深入研究，实现了铁电极化拓扑畴结构的电场调控。相关成果以“Reversible Manipulation of Polar Topologies in Oxide Ferroelectrics via Electric Fields”为题发表在《Advanced Materials》期刊上。原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202414346

这篇论文深入探讨了通过外部电场对氧化物铁电材料中极性拓扑结构进行可逆操控的可能性，特别是针对PbTiO3/SrTiO3（PTO/STO）双层和多层膜系统。研究团队采用原位透射电子显微镜技术，直接观察到了在施加电场条件下，从典型的a/c畴到大规模极性通量闭合畴阵列的形成与消失过程。研究发现，随着外加电场强度的增加，新的c畴从母体a畴中生成，并逐步扩展，最终连接成一个连续的大规模通量闭合畴阵列。这种转换是可逆的，当减少外部电场时，这些通量闭合畴逐渐被湮灭并恢复为初始的a/c畴。

图 PbTiO3/SrTiO3双层膜中外加电场实现铁电全闭合畴的产生与湮灭。(a-d) 随着外加电场的增加，a/c畴逐渐转变成全闭合阵列。(e-f) 随着外加电场的减小，全闭合阵列逐渐恢复为a/c畴

此外，研究人员还利用相场模拟来评估能量变化，结果表明，从a/c畴到通量闭合畴的转换伴随着总能量的减少，主要归因于静电能的降低。进一步的研究揭示，在更复杂的多层膜系统中，通过调整外加电场可以实现更加细致地控制新c畴的成核、扩展直至形成通量闭合畴阵列的过程。实验结果显示，这一转换过程非常迅速，甚至可以在10毫秒的时间尺度内完成，这为未来纳米电子器件的设计提供了重要的见解和技术支持。

图 原子尺度原位STEM成像揭示a/c畴到全闭合的转变。(a) 原子尺度原位STEM成像结合应变分析揭示外场作用下全闭合畴的产生与湮灭过程。(b-d) 电场加载下全闭合畴的极化(c)和应变(d)分布

图 (PbTiO3/SrTiO3)5多层膜中电场加载铁电全闭合畴的产生与湮灭过程。(a-d) 随着外加电场的增加，可观察到从原a畴中发生c畴的形核与长大，并逐渐转变成全闭合阵列。(e-f) 随着外加电场的减小，全闭合阵列逐渐恢复为a/c畴

本研究不仅展示了通过外部电场调控铁电材料内部极性拓扑结构的可行性，而且强调了这种转换的动态特性和可逆性对于开发新型电子设备的重要性。通过对这些拓扑结构的精确控制，包括它们的形成、扩展以及消失，有望推动高密度信息存储和低功耗场效应晶体管等领域的创新。这项工作为进一步理解极性拓扑结构的动力学行为及其在纳米电子应用中的潜力奠定了基础，并指出了未来可能的发展方向，例如如何更有效地设计和集成这类具有特殊物理性质的材料到现有的电子电路中。这些成果不仅丰富了我们对铁电材料内部微观结构转变机制的理解，也为探索基于这些特性开发新技术提供了新的思路和方法。

图 相场模拟揭示a/c畴到全闭合的转变过程以及相应能量的变化情况