西安交大研究人员在二维铁电拓扑畴领域取得新进展

铁电材料中，畴界作为分隔不同极化取向区域的关键界面，其结构直接影响材料的电导率、电磁耦合等功能特性。传统铁电材料中的畴界多呈现头-尾排列的电中性构型，以尽可能降低静电能。然而，近年来在单质铋（Bi）单层二维铁电材料中发现的本征稳定180°带电畴界，突破了这一传统认知，为铁电畴界的基础研究与功能器件应用开辟了新方向。由于二维铋烯中电子型极化较弱，其畴界能主要由应变能主导，而非传统铁电材料中的静电能，这使得180°带电畴界成为该体系中最稳定的畴界构型。在此背景下，理解并调控此类带电畴界在有限温度下的动态行为及其所形成的拓扑畴结构，已成为实现其功能化应用的关键挑战。

针对上述问题，西安交通大学材料学院强度室邓俊楷教授与澳大利亚墨尔本大学刘哲教授合作，通过深度势能分子动力学（DeePMD）模拟，在单质Bi烯二维材料中首次发现了一种由“畴对”交织构成的新型铁电拓扑畴结构，并进一步探究了其在机械载荷下的拓扑鲁棒性和畴界演化行为。研究团队通过精确调控模拟条件，探索了有限温度下四种典型畴界（带电/中性90°与180°畴界）的热力学与动力学特征（图1），并揭示了180°带电畴界独特的Shuffle型极化翻转机制（90°畴界为传统的成键-断键机制）。

图1  有限温度下四种典型畴界的动力学特性

进一步通过高温退火模拟，团队发现了Bi烯具有独特的“畴对交织”的棋盘状拓扑畴结构（一组极化相反铁电畴称为一个“畴对”）。其中，180°带电畴界决定了两组正交铁电畴对的形成，而90°畴界则为不同畴对之间的转变提供了媒介（图2）。此外，研究中观察到的四种不同方向铁电畴交汇处形成的涡旋拓扑畴结构，具有优异的拓扑稳定性。本项研究首次在单质二维铁电体中揭示了由带电畴界主导的拓扑畴结构及其动态演化规律，为理解与设计新型铁电拓扑材料提供了全新的理论基础与实现路径，有望在高密度数据存储、神经形态计算、量子器件及柔性电子等领域获得应用。

图2  棋盘状多畴结构的形成

本项研究成果近期以《单质二维铋烯中畴对交织的拓扑畴结构》（“Domain-Pair Intertwined Topological Domain Structures in Elemental Bi Monolayer”）为题发表于物理学权威期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）。西安交通大学金属材料强度全国重点实验室为本论文第一完成单位，材料学院博士生洪云飞为论文第一作者，邓俊楷教授和墨尔本大学刘哲教授为共同通讯作者。本项研究得到了国家自然科学基金面上项目、创新引智111计划2.0项目以及陕西省重点研发计划的资助。研究也得到西安交通大学校级高性能计算平台提供的算力和技术支持。

论文连接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/8d23-z3gm