量子物态与器件研究中心：二维层状材料的极性斯格明子

   极性斯格明子是一种具有非平庸极化旋转结构的拓扑缺陷，在静电能、弹性能和梯度能的互相作用下由铁电极化在空间的连续翻转而形成，表现出独特的物理现象和潜在的高密度存储应用，最近受到广泛的关注。尽管性斯格明子在氧化物铁电材料中已经报道，但均需要氧化物异质结中外延应力的弹性能来辅助斯格明子的形成，这种严苛条件限制了极性斯格明子的研究仅局限于特定的材料体系。近期，浙江大学量子物态与器件研究中心、物理学院的薛飞研究员和常凯院士及合作者，通过提升二维层状CuInP₂S₆铁电材料中Cu离子的浓度，进而使用Cu离子的静电能调控斯格明子形成的三种能量的平衡, 成功地在无外延应力的单一铁电材料中观察到可切换的极性斯格明子气泡。研究突破性地证明了CuInP₂S₆材料中的极性斯格明子气泡不仅能够稳定存在，而且能够通过外部电场和机械刺激进行可逆切换，展现出前所未有的调控能力。

   研究团队采用了先进的压电力显微镜（PFM）、扫描透射电子显微镜（STEM）等实验手段，并结合相场模拟，深入分析了CuInP₂S₆材料中的极性斯格明子的存在。研究发现，随着材料厚度的减小，斯格明子的形态经历了从椭圆形到圆形的过渡，且在不同厚度下，斯格明子的极性结构和拓扑特性表现出显著的变化。这一现象不仅揭示了极性斯格明子在二维材料中的厚度依赖性，也为拓扑缺陷的操控提供了新的理论依据。该发现为高密度、低功耗神经形态器件开辟了新方向，未来通过优化离子动力学与界面工程，有望实现室温铁电拓扑结构的稳定操控，推动拓扑电子学的发展。

图1 | 在CuInP₂S₆晶体中观察到拉长型的极性斯格明子。
a CuInP₂S₆晶体结构示意图。Cu和In原子的反向位移导致了面外和面内的偶极子。b 160纳米厚的CuInP₂S₆晶体表面大面积的横向压电力显微镜（L-PFM）振幅和形貌图，显示出类似咖啡豆形状的极性纹理。样品沿水平方向扫描，PFM探头检测到的极化方向沿箭头（左下角）。c在（b）中左上区域的L-PFM和垂直压电力显微镜（V-PFM）图像。d在（c）中标记为红色的放大偶极子构型示意图绘在（d）的底部。e用于识别斯格明子特征的环形暗场STEM图像。f拉长型的极性斯格明子的面内和面外极化构型的相场模拟。结果与L-PFM和V-PFM响应相似。P表示标准化极化。

图3 | 随着CuInP₂S₆厚度减小的拓扑演化。

40纳米（a和b）和8纳米（c和d）厚度CuInP₂S₆的形貌图、V-PFM和L-PFM图像。在（b）中，拉长型的和圆形的极性斯格明子都具有中心汇聚的螺旋性。在（d）中，大多数圆形极性斯格明子表现出中心发散特性，而只有一个（如红色标记所示）被识别为中心汇聚型。e、中心汇聚和中心发散的圆形斯格明子的示意图。f、模拟的圆形极性斯格明子的极化构型。g、低放大倍数的STEM映射，显示了许多圆形特征，用白色箭头标记。h、具有斯格明子晶格的原子分辨率STEM映射。白色虚线表示典型的斯格明子。i、统计斯格明子尺寸与样品厚度的关系。数据提取自PFM振幅图像。j、厚度依赖的拉曼光谱。铜振动峰用蓝色虚线标记。k、与铜振动峰厚度减小相关的拉曼位移统计。i和k中的误差条表示标准偏差。

   该研究论文已于2025年3月8日在线发表于《自然通讯》杂志，标题为《Observation of switchable polar skyrmion bubbles down to the atomic layers in van der Waals ferroelectric CuInP₂S₆》，DOI：10.1038/s41467-025-57714-9。浙江大学量子物态与器件研究中心、物理学院为第一单位，薛飞研究员为第一作者兼通讯作者，共同通讯作者包括新加坡国立大学张晨辉博士后、浙江大学材料学院田鹤教授、浙江大学航天学院王杰教授和沙特阿卜杜拉国王科技大学张西祥教授。