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《Science》:首次!应变铁电聚合物的环极拓扑

《Science》:首次!应变铁电聚合物的环极拓扑

云顶国际登录官网 > 商务咨询 > 日期:2021-5-27 来源:Internet 编辑:yq 浏览量:

极性拓扑结构,已成为一个新兴的研究领域,并在可重构电子器件中,具有潜在的应用前景。近日,来自清华大学的沈洋&南策文等研究者,报道了在铁电聚合物中自组织的环状拓扑结构,聚(偏氟乙烯-ran三氟乙烯)[P(VDF-TrFE)]中,它展示了具有反耦合手性域的同心拓扑。相关论文以题为“Toroidal polar topology instrained ferroelectric polymer”发表在Science上。

论文链接:

https://science.sciencemag.org/content

在过去的几十年里,自旋、电荷、轨道和晶格自由度的操纵,导致了许多关键的发现,如多铁质、巨磁电阻和高温超导体等。将实空间有序参数,组合成环形拓扑模式,如磁旋(自旋)、极涡(电荷)和极旋(电荷),一直是广泛研究的主题。这些拓扑结构的环面力矩,对外界刺激的响应,有望引起热环效应、压电环效应、手性的电场控制以及其他新兴现象。在铁电氧化物中,观察到环状极性拓扑结构,包括应变的PbTiO3薄膜和交替的PbTiO3/SrTiO3层的超晶格。偶极矢量通量的闭合,是由弹性能量、电能量和梯度能量之间的竞争引起的,这涉及到电荷、轨道和晶格自由度的相互作用。

有机铁电体,是一种很有应用价值的材料,因为它们可以溶液处理,成本较低,而且可能比陶瓷铁电体,具有更好的灵活性。目前研究最多的有机铁电体系,是聚偏氟乙烯(PVDF)及其二元和三元共聚物。PVDF的初级偶极矩,是由沿聚合物链的-CF2和-CH2基团交替产生的,而垂直于聚合物链的永久偶极,可以通过曲轴绕链轴旋转而被电场转换。然而,在铁电聚合物中,还没有观察到环极性拓扑。PVDF中偶极矩的起源,与氧化物中偶极矩的起源不同。PVDF的半晶性,导致大量的非晶相具有随机分布的链,阻碍了长程极性序的形成。这就提出了铁电聚合物中,是否存在环极拓扑的问题,并且可以确定拓扑形成的驱动力。

在此,研究者在一个铁电聚合物,聚(偏二氟乙烯-ran-三氟乙烯)[P(VDF-TrFE)]中,展示了新兴的环状极性拓扑结构。P(VDF-TrFE)层状晶体的有效排列,其链间偶极垂直于,聚合物链自组织成同心模式,产生了环形极性拓扑此外,在P(VDF-TrFE)中观察到平行于聚合物链的链内铁电,导致了所观察到的铁电弛豫行为。两个正交的极化相互耦合,产生了链内压电的环形分布。P(VDF-TrFE)的居里跃迁引起的双轴应变,是导致环向有序和弛豫行为的原因,因为局部应变和弹性能,在极化态的平坦能量景观下重新分布。

弹性能、电能和梯度能之间的相互作用,导致垂直于聚合物链的极化连续旋转和环向组装,而弛豫行为是沿着聚合物链诱导的。这种环形极面结构,会周期性地吸取极化远红外(FIR)波,从而可以在介观尺度上操纵太赫兹波。

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