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清华材料学院研究团队在铁电聚合物中发现极性涡旋拓扑新物态

    近日,太阳gg牛气冲天运气当头南策文院士、沈洋教授带领的研究团队首次在铁电聚合物中发现涡旋极性拓扑新物态,并展示了涡旋极性拓扑导致的空间周期性太赫兹吸收现象。该研究工作丰富并深化了极性拓扑物态的内涵和外延,为柔性铁电材料中的拓扑物态调控开辟了新范式,也为柔性电子器件中的多场激励转换提供了新的设计思路。

    序参量在实空间中的涡旋性组装是近年来的凝聚态物理领域的前沿问题,相关实验现象如磁性斯格明子、极性涡旋、极性斯格明子等已在氧化物体系中被系统性地研究与报道。然而到目前为止,聚合物材料中的相关研究仍为罕见。通过制备铁电聚合物P(VDF-TrFE)的取向单晶薄膜,南策文、沈洋所带领的研究团队在受应变的聚合物单晶中观察到了具有显著涡旋序的极性拓扑,解析了铁电聚合物居里相变过程引入的双轴拉伸应变对涡旋序的促进作用。聚合物材料具有独特的主链旋转自由度,拉伸应变的引入将减少各旋转角度的自由能差异,可促进主链与极化在空间中的连续转动,从而诱导涡旋序在聚合物晶体中的产生。基于聚合物分子共振吸收的各向异性,研究中提出并验证了聚合物单晶中的高分辨空间周期性太赫兹吸收,可为太赫兹光栅与空间光调制器的设计提供材料基础。


铁电聚合物薄膜(左)展现涡旋极性拓扑(中)与空间周期性太赫兹吸收(右)


    此外,传统的铁电聚合物极化响应理论认为聚合物的铁电响应主要源于主链旋转带来的偶极子转动,而在平行于主链的方向则没有铁电响应。由于取向聚合物单晶薄膜中具有垂直于膜面的聚合物主链取向,该研究工作确认了薄膜在平行于主链方向仍具有显著的铁电、压电、介电响应。相关结果进一步丰富并深化了人们为聚合物的铁电响应机制的认识。


铁电聚合物中平行于主链方向的铁电(左上)、压电(右上)、介电(下)响应


    3月5日,上述研究工作以《应变铁电高分子中的涡旋极性拓扑》(Toroidal Polar Topology in Strained Ferroelectric Polymer)为题,在线发表于《科学》(Science)期刊。《科学》期刊同期配发题为《极化的旋转和涡旋》(Whirls and Swirls of Polarization)的观点文章。文章作者美国加州大学伯克利分校教授莱恩·马。↙ane Martin)对该工作的背景进行了详细介绍,对其意义给予了高度评价,称“研究代表了一片材料结构设计广阔空间的开始,将在复杂材料中体系中诱导出新奇的介电、光学等物性”。

太阳gg牛气冲天运气当头2016级博士生郭梦帆为本论文的第一作者,沈洋教授与南策文院士为论文的共同通讯作者。太阳gg牛气冲天运气当头林元华教授、王轲副研究员、易迪助理教授、李千助理教授、马静副教授、徐贲助理研究员,美国宾夕法尼亚洲立大学陈龙庆(Long-Qing Chen)教授,澳大利亚卧龙岗大学张树君教授,北京理工大学黄厚兵副教授,北京大学高鹏研究员,美国阿贡国家实验室约瑟夫·斯特扎尔卡(Joseph Strzalka)博士为本研究提供了重要帮助。本工作的开展获得了国家自然科学基金基础科学中心项目、国家杰出青年基金、国家重点研发项目的大力支持。

    论文链接:

    https://science.sciencemag.org/content/371/6533/1050

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