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研究背景

在人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代背景下，全球?qū)Ω咝阅苡?jì)算硬件的需求日益迫切，研發(fā)速度更快、尺寸更小、能耗更低的下一代信息存儲(chǔ)與處理技術(shù)已成為關(guān)鍵的國(guó)家級(jí)戰(zhàn)略需求。然而傳統(tǒng)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件正逼近其物理極限，在提升存儲(chǔ)密度、降低能耗和加快讀寫速度方面遭遇了難以逾越的瓶頸。這催生了對(duì)顛覆性新材料和新原理器件的探索，以期突破現(xiàn)有計(jì)算架構(gòu)的限制，為未來高性能計(jì)算和高能效電子設(shè)備提供核心支持。

在此戰(zhàn)略背景下，氧化物異質(zhì)結(jié)中的“極性渦旋”等新型拓?fù)淞孔討B(tài)，因其納米級(jí)的尺寸、獨(dú)特的極化排列以及理論上可達(dá)到的超高存儲(chǔ)密度和超快響應(yīng)速度，為構(gòu)建下一代非易失性存儲(chǔ)器和邏輯器件提供了極具潛力的技術(shù)路徑。但其實(shí)際應(yīng)用面臨著重大的技術(shù)挑戰(zhàn)：其核心瓶頸在于如何對(duì)這些微觀的渦旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確、可靠的按需操控。由于材料晶格和缺陷會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的“釘扎效應(yīng)”，這些極性渦旋的運(yùn)動(dòng)受到嚴(yán)重阻礙，難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可重復(fù)的移動(dòng)、擦除或?qū)懭?。因此如何利用電?chǎng)等外部手段有效克服這一內(nèi)在物理限制，實(shí)現(xiàn)對(duì)極性渦旋位置和形態(tài)的精準(zhǔn)調(diào)控，并保證其調(diào)控后狀態(tài)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，是該前沿領(lǐng)域有待攻克的核心科學(xué)技術(shù)難題。

實(shí)現(xiàn)可控驅(qū)動(dòng)：首次駕馭極性渦旋的定向運(yùn)動(dòng)

研究團(tuán)隊(duì)首先解決了該領(lǐng)域最核心的挑戰(zhàn)：如何讓原本被晶格“釘扎”住的極性渦旋動(dòng)起來。他們創(chuàng)新性地在PbTiO?/SrTiO?異質(zhì)結(jié)薄膜上，利用導(dǎo)電原子力顯微鏡的針尖施加一個(gè)“拖尾偏置電場(chǎng)”。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)施加一個(gè)+5V的正向電壓并沿特定路徑掃描時(shí)，原本靜態(tài)的渦旋疇界會(huì)隨之向右側(cè)發(fā)生顯著的、可累積的位移，最大移動(dòng)距離超過1100納米。這一發(fā)現(xiàn)首次證明了通過外部電場(chǎng)，可以像“推土機(jī)”一樣精準(zhǔn)、長(zhǎng)程地驅(qū)動(dòng)極性渦旋，實(shí)現(xiàn)了從無序到有序的定向操控。

圖 在DyScO? (001)?c襯底上生長(zhǎng)的STO/PTO/STO三層膜和PTO/STO超晶格中極性渦旋的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定化

圖 在STO/PTO/STO三層膜中操控極性渦旋運(yùn)動(dòng)

驗(yàn)證可逆調(diào)控：原位電鏡揭示渦旋核的動(dòng)態(tài)重排

為了驗(yàn)證這種操控的雙向可逆性，并直接觀察其微觀物理過程，團(tuán)隊(duì)接著施加了-5V的反向電場(chǎng)。結(jié)果渦旋疇界果然向左側(cè)發(fā)生了回退，基本恢復(fù)到初始位置，這證明了其運(yùn)動(dòng)方向可由電場(chǎng)極性精確控制。為了從根本上揭示這一過程的物理圖像，研究人員利用了澤攸科技的原位TEM測(cè)量系統(tǒng)，在透射電子顯微鏡內(nèi)對(duì)渦旋進(jìn)行實(shí)時(shí)的電場(chǎng)操控與成像。通過這一尖端設(shè)備，他們得以在原子尺度上“直播”渦旋的動(dòng)態(tài)行為：在外加電場(chǎng)下，原本呈“之”字形排列的單個(gè)渦旋核心開始重新排列，逐漸拉直成一條線，從而在微觀層面證實(shí)了宏觀疇界移動(dòng)的物理本質(zhì)是渦旋核心的集體協(xié)同重排。

圖 在(PTO??/STO??)??超晶格中操控渦旋運(yùn)動(dòng)

圖 渦旋運(yùn)動(dòng)操控的穩(wěn)定性

確認(rèn)長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定：驗(yàn)證新型存儲(chǔ)器件的“記憶”能力

對(duì)于任何存儲(chǔ)技術(shù)而言，寫入的新狀態(tài)必須能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定存在。為驗(yàn)證這種經(jīng)電場(chǎng)操控后的新渦旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了“時(shí)間考驗(yàn)”。在通過電場(chǎng)將渦旋疇界移動(dòng)到新位置后，他們撤去電場(chǎng)，并在2天、8天、30天乃至120天后對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行反復(fù)成像。結(jié)果顯示，被移動(dòng)后的疇界位置幾乎沒有任何變化，展現(xiàn)出極強(qiáng)的“非易失性”或“記憶”特性。同樣，利用澤攸科技的原位TEM測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)也進(jìn)一步佐證了這一點(diǎn)：在電鏡下移動(dòng)渦旋后，即使經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)20天的持續(xù)觀察，新的渦旋排列結(jié)構(gòu)依然保持穩(wěn)定。這些結(jié)果有力地證明了被“駕馭”的極性渦旋具有作為高可靠性、高密度非易失性存儲(chǔ)器基本單元的巨大潛力。

圖 超晶格中脈沖電場(chǎng)作用下的隨機(jī)動(dòng)力學(xué)行為與渦旋環(huán)形成

澤攸科技作為中國(guó)本土的高端精密儀器公司，是原位電子顯微鏡表征解決方案的一流供應(yīng)商，推出的PicoFemto系列的原位透射電子顯微鏡表征解決方案，陸續(xù)為國(guó)內(nèi)外用戶的重磅研究成果提供了技術(shù)支持。下圖為該研究成果中用到的澤攸科技原位TEM產(chǎn)品：

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