通过扭曲工程在 SrTiO3中构建原子级铁电体：突破尺寸限制，迈向超高密度存储

为解决铁电体尺寸限制等问题，研究人员开展扭曲钙钛矿氧化物双层膜研究，发现原子级铁电和超平带，意义重大。

　　

探秘原子级铁电世界：突破限制，解锁存储新可能

在科技飞速发展的今天，电子设备不断朝着小型化、高性能化迈进，其中存储技术的革新至关重要。原子尺度的拓扑结构，如斯格明子（skyrmions），因其独特的物理现象和在未来电子设备中的巨大应用潜力，成为科研人员竞相探索的热点。在铁电纳米结构和超晶格中，像磁通闭合畴、极涡、极斯格明子等各种奇异的极性拓扑畴逐渐被发现。然而，随着数据量呈爆炸式增长，要提升未来超高密度数据存储设备中集成器件的速度和容量，缩小这些拓扑畴的尺寸迫在眉睫。

但铁电体中晶格与极化之间存在着紧密的耦合，在拓扑结构中，极化旋转会消耗大量能量，这一能量消耗会随着极斯格明子尺寸的减小而急剧增加。目前，在铁电系统中制造超小斯格明子困难重重，其尺寸通常超过 10nm。更棘手的是，由于退极化场的影响，铁电体在厚度低于几纳米的临界值时，铁电性会完全消失，尽管临界厚度的确切数值会受到机械和电气条件的影响。由此可见，传统的几何限制极大地阻碍了极斯格明子及其容纳系统的小型化进程，寻找创新方法突破这些限制已刻不容缓。

为了攻克这些难题，研究人员开展了深入研究。此次研究聚焦于扭曲的钙钛矿氧化物双层膜，旨在探究 SrTiO₃ moiré 超晶格中的晶格重构、平移对称性破缺以及由此产生的铁电性能。研究成果发表在《Research》上，为相关领域带来了新的曙光。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。其中，第一性原理计算是核心技术之一，它基于密度泛函理论（DFT）框架，利用 VASP 代码进行计算。计算时，电子波函数在平面波基组中展开，平面波截断能设为 500eV ，采用投影增强波（PAW）赝势方法处理价电子。此外，还使用了 Monkhorst-Pack k 点网格对布里渊区进行采样，针对不同结构设置不同的 k 点网格参数。通过这些技术，研究人员精确模拟了原子的行为和相互作用。

下面让我们详细了解一下研究的具体成果。

模拟模型与结构分析

SrTiO₃是一种具有立方结构的典型钙钛矿氧化物，其计算得到的晶格参数为 a_c = 3.89?。研究人员理论上研究了厚度范围在 1 到 6 个化学式单元（f.u.）的扭曲双层 SrTiO₃。该双层结构存在 3 种不同的终止方式，经过初步评估，研究重点放在了具有 SrO-SrO 界面的堆叠结构上。这种结构的双层 SrTiO₃存在 AA、AB/BA、AC 等不同的堆叠配置，计算发现 AC 堆叠能量最低。在此基础上，构建了具有特定扭转角的方形扭曲超胞结构，研究人员着重关注扭转角 θ > 10° 的大角度模型，对不同厚度和扭转角的 moiré 超晶格进行深入研究。

铁电性能与拓扑结构

研究发现，经过完全弛豫的扭曲 SrTiO₃双层膜相较于薄膜结构，存在显著的局部晶格畸变和原子位移。这种位移导致原本呈顺电性的 SrTiO₃超薄膜中产生了局部电极化。通过计算位点特异性局部电极化 p_i，研究人员发现其极化分布呈现出独特的模式：在上层表现为面内涡旋状极化和垂直方向的反平行极化，并且局部电偶极子从核心到外围逐渐从向下取向转变为向上取向；下层的极化分布则呈现出相反的复杂纹理。这种独特的极化分布类似于准二维拓扑序 —— 斯格明子。

通过引入拓扑电荷 n 对极化模式的拓扑性质进行数学表征，结果证实 SrTiO₃ moiré 超晶格中的极化模式确实是磁性斯格明子的电学等效物，尺寸小于 1nm，且上下层的斯格明子具有相反的拓扑数和相同的手性，扭转角方向会影响斯格明子的手性。

进一步研究不同双层厚度对铁电性能和极性拓扑结构稳定性的影响发现，随着厚度增加，局部极化幅度虽有所下降，但仍与钛酸钡中的极化幅度相当，且在所有研究厚度的扭曲结构中，铁电性和极斯格明子均持续存在。此外，扭转角也会影响极化模式，较小的扭转角会使斯格明子被更复杂的三维极化配置取代。

电子结构变化

扭转工程不仅稳定了极性拓扑结构，还显著改变了 SrTiO₃的电子结构。对于体相 SrTiO₃，导带和价带都有明显的色散。而扭曲双层膜在 36.87° 扭转时，价带顶趋于平坦，带宽随扭曲双层膜厚度 N 的减小而大幅降低，在 N = 1 时低至 22.13meV。不同扭转角对带宽影响也很大，在研究的大扭转角范围内，带宽随扭转角减小而降低，并且在许多大扭转角下出现了带宽小于 5meV 的超平带，在 12.68° 扭转角时，带宽达到最小值 0.24meV 。超平带的出现与强耦合超导性和相关电子行为密切相关，这一结果与之前在二维材料中的发现不同。

综合研究结果，研究人员提出通过扭转工程设计超小极性拓扑结构并实现其高密度集成的设想。在大扭转角 36.87° 和 22.62° 下，SrTiO₃ moiré 超晶格中出现了极斯格明子，且每层可薄至单分子层极限，突破了传统铁电材料中存在的临界厚度限制。由于强层间耦合效应，扭曲 SrTiO₃结构中的极化与铁电体 BaTiO₃和 PbTiO₃中的极化处于同一数量级。这种超小的极斯格明子尺寸和高的调制周期，理论上可实现高达 776.1 和 299.7 太比特每平方英寸的数据存储密度，远超以往报道的铁电结构中的畴密度。

不过，扭转工程在双层结构中对极斯格明子的调制存在非局部性，单个极性配置的操纵仍是挑战。但已有研究提出的通过引入电子束介导裂纹产生的层间位移和应变来局部调制极性涡旋的方法，可能适用于扭曲双层 SrTiO₃中的极斯格明子。此外，施加局部电场也能操纵极斯格明子，这为未来的应用提供了新的方向。

这项研究提出的钙钛矿氧化物 SrTiO₃的 moiré 工程新策略，成功在非铁电材料中创造出原子级铁电体，打破了传统钙钛矿氧化物中铁电性的临界尺寸限制，还发现了超平带的形成。这些成果不仅在基础科学研究方面具有重要意义，为理解铁电体和拓扑结构提供了新视角，更为未来超高密度基于极斯格明子的存储器开发开辟了新道路，有望推动存储技术乃至整个电子领域实现重大突破。