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學校快過生日了怎么辦？送篇Nature！

來源：科學10分鐘時間：2022-05-15 21:25:02 瀏覽：3057次

鐵電體中的拓撲域由于其新穎的功能和在電子設備中的潛在應用而備受關注。然而，到目前為止，這種拓撲極性結構僅在氧化物襯底上生長的超晶格中觀察到，這限制了它們在硅基電子產品中的應用。

2022年3月2日，南京大學吳迪，聶越峰及加州大學歐文分校Pan Xiaoqing共同通訊在Nature 在線發表題為“High-density switchable skyrmion-like polar nanodomains integrated on silicon”的研究論文，該研究報告了在轉移到硅上的鈦酸鉛/鈦酸鍶雙層中實現室溫類skyrmion 極性納米域。此外，外部電場可以將這些納米域可逆地轉換為另一種類型的極性紋理，這大大改變了它們的電阻行為。

極性配置調制電阻歸因于兩種極性紋理核心中明顯的帶彎曲和電荷載流子分布。在硅上集成高密度（每平方英寸超過 200 千兆比特）可切換的類skyrmion 極性納米域可以使用氧化物中的拓撲極性結構實現非易失性存儲器應用。

另外，2022年1月17日，南京大學譚海仁及加拿大多倫多大學Edward H. Sargent在Nature 在線發表題為“All-perovskite tandem solar cells with improved grain surface passivation”的研究論文，該研究開發了具有長擴散長度的銨陽離子鈍化 Pb-Sn 鈣鈦礦，使子電池的吸收層厚度約為 1.2 μm。分子動力學模擬表明，廣泛使用的苯乙基銨 (PEA) 陽離子在鈣鈦礦結晶溫度下僅部分吸附在表面缺陷位點上。

預計使用 4-三氟甲基苯基銨 (CF3-PA) 可以增強鈍化劑的吸附，其表現出比 PEA 更強的鈣鈦礦表面-鈍化劑相互作用。通過在前驅體溶液中添加少量 CF3-PA，該研究將 Pb-Sn 鈣鈦礦內的載流子擴散長度增加了 2 倍，達到 5 μm 以上，并將 Pb-Sn 鈣鈦礦太陽能電池的效率提高到 22% 以上。該研究報告了全鈣鈦礦串聯太陽能電池的認證效率為 26.4%，超過了性能最佳的單結鈣鈦礦太陽能電池。在環境條件下單日照度下，在最大功率點運行 600 小時后，封裝的串聯設備保持 >90% 的初始性能。

最近的發現表明，鐵電極化可以形成復雜的拓撲結構，包括通量閉合域、渦旋、迷宮域、極性skyrmions、merons等。由于極化和電荷分布的不連續性，非均勻的極性紋理可能會產生與體域不同的新興功能，并具有在下一代電子設備中的新應用潛力。例如，如果可以輕松讀取和寫入納米級極性斯格明子陣列，將有望用于遠高于每平方英寸太比特的超高密度記錄。

來自 PFM 測量的 (PbTiO₃)₂₀/(SrTiO₃)₁₀ 雙層中的高密度極性納米域（圖源自Nature ）

盡管有這些豐富的物理特性和有前景的潛在應用，但將這些拓撲紋理集成到基于硅的技術中仍然具有挑戰性，因為它們主要在單晶氧化物襯底上生長的超晶格中觀察到。

在這里，該研究展示了在轉移到硅（PbTiO3，鈦酸鉛(PTO)；SrTiO3，鈦酸鍶）上的獨立式(PbTiO3)20/(SrTiO3)10雙層中的高密度（約 200 Gbit/平方英寸）類skyrmion 極性納米域的觀察(STO))。這些納米域在外部電場下是可切換的，通過在兩種極化結構之間可逆地切換極大地調制了電阻，為使用拓撲極性結構設計非易失性鐵電存儲器提供了一條途徑。

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