奇異鐵電拓撲缺陷（如渦旋、斯格明子態）蘊含著豐富多彩的物理現象和新功能，有望用於構築未來拓撲電子學器件。近日，華南師範大學先進光電子研究院先進材料研究所高興森研究員聯合南京大學劉俊明教授、美國賓州州立大學陳龍慶教授，在鐵電拓撲電子學研究取得重要進展。該研究成果分別在BiFeO3奈米島內形成的兩種拓撲缺陷（渦旋型和中心型）中發現了可往復擦寫的、具有準一維電子氣特徵的超細金屬性導電通道，並提出了構築基於導電拓撲缺陷的、非破壞性電導讀出的隨機儲存器件方案。成果以《Quasi-one-dimensional metallic conduction channels in exotic ferroelectric topological defects》為題，發表於Nature Communications（12，1306，2021）)。高興森教授為該論文的唯一通訊作者、博士生楊文達和青年英才學者田國博士為共同第一作者。

“拓撲”原是一個數學概念，指的是幾何圖形或空間在連續改變變形後保持不變的性質。這一概念被引入到凝聚態物理領域後，這些年留下了濃墨重彩的一筆，引起大量新物理現象和新拓撲材料體系的發現，也為未來拓撲電子學器件打開了大門。因此，2016年諾貝爾物理學獎被授予了在該領域的3位開創者。

近十年來，鐵電材料中的新奇極化拓撲缺陷（即極化不連續變化的奇點位置）也成為研究焦點，這類拓撲缺陷可顯著改變材料效能或帶來全新物性，並且具有可受外場調控的獨特優勢，可以作為未來可程式設計拓撲電子學器件單元。人們在常見的二維拓撲缺陷（疇壁）中已發現了各種有趣的效能，如導電增強、磁電阻、磁性、磁電耦合，壓電增強等。尤其是在電荷型疇壁中發現金屬性高導電通道，可用於構築電流讀出的儲存器件。然而，這類疇壁器件在儲存密度和讀寫穩定性還存在很大問題。近來，一些奇異的一維鐵電拓撲缺陷，如渦旋、中心疇、斯格明子、麥韌等拓撲態相繼被發現，引發了新一輪探索熱潮。這些發現為進一步探索其中所蘊含的新奇低維物性創造了條件，併為開發更高密度的拓撲電子學器件提供了新途徑。有預測表明雙穩態渦旋疇可在小至3 nm尺度穩定存在，有望實現每英寸60 Tb的儲存密度，遠高於硬碟或快閃記憶體的儲存密度。當前，儘管這類拓撲缺陷的研究發展迅猛，但其潛在新奇物性及器件用途還鮮有報道，是待挖掘的富礦。

圖1 兩種拓撲態(四象限渦旋型和中心匯聚型)的拓撲疇結構及其導電特性

近日，高興森研究與合作者們分別在兩種拓撲缺陷中發現了可受外場調控、並具有準一維電子氣特徵的導電通道。該工作主要利用壓電和導電原子力顯微鏡，在BiFeO3（BFO）奈米島中觀測到在四象限渦旋型和中心匯聚型的拓撲缺陷中心，並證實其為高導電金屬性通道（見圖1）。透過相場模擬，進一步揭示了電荷型的中心匯聚拓撲中心之電導主要由缺陷處匯聚的遮蔽載流子引起，而中性渦旋中心的導電則源於外場誘導產生的類中心匯聚型極化扭曲態。模擬還揭示，這兩種金屬性導電通道的直徑都小於3 nm、類似一維電子氣通道。更有趣的是，透過施加電壓，可以往復寫入或擦除這類導電通道、並伴隨著高低電阻態的切換，其開關電阻比超過三個量級（見圖2）。

圖2 渦旋型和中心型導電拓撲缺陷的擦寫以及基於拓撲缺陷的隨機儲存器件構想

由於拓撲保護特性，這種拓撲器件表現出很強的抗疲勞和抗溫度干擾特性，可在室溫中放置至少12天（我們實驗測試的最長時間）或在150o 放7000秒（也是我們實驗測試的最長時間）後其開關電阻比保持穩定。基於中心型缺陷的器件在擦寫106迴圈後其電阻比依然保持85%以上。該成果也展示了這類高導電拓撲缺陷用於構築新一代超高密度拓撲儲存器件的可行性，併為探索這類新奇拓撲缺陷中潛在新奇物性及其拓撲電子學器件應用提供了一個例項。

高興森課題組近年來在微納資訊儲存材料及拓撲電子學領域取得重要突破，成果以通訊作者發表於Science Advances、Nature Communications、Advanced Functional Materials、ACS Nano、 National Science Review、Nano Letter等權威期刊。高興森也先後入選廣東省珠江學者、廣東特支計劃百千萬領軍人才、國家百千萬人才工程等人才計劃，並於2020獲國際先進材料聯合會科學獎（IAAM Scientific Medal）。

該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委、廣東省科技廳、廣州市科委的專案支援。

論文連結

https://www.nature.com/articles/s41467-021-21521-9