打破校史！魯東大學青年教師，以第一作者身份發Science！

鐵電材料中的拓撲結構，如渦旋、斯格明子和疇壁，因其具有不同于母體相的新奇物理性質，在電子學領域展現出巨大應用潛力。其中，鐵電疇壁作為分隔不同極化取向區域的二維或準二維拓撲缺陷，可根據是否帶有束縛電荷分為中性疇壁和帶電疇壁。與異質界面不同，鐵電疇壁是納米級厚度的同質界面，具有空間可移動性，其位置、密度和取向可實現實時調控。此外，疇壁獨特的對稱性和化學環境賦予其豐富多樣的電學與磁學功能特性，使得“疇壁即器件”成為鐵電疇壁電子學的新范式。然而，傳統上疇壁被視為塊體或薄膜中必然存在的二維實體。若想進一步降低其維度，實現一維甚至更高密度的拓撲結構，需將其限制在維度受限的鐵電體系內。新興的螢石結構鐵電體因其獨特的準二維極性層結構，為實現原子尺度的維度受限疇壁提供了可能。

鑒于此，中國科學院物理研究所葛琛研究員、金奎娟院士、張慶華副研究員在代表性螢石鐵電材料二氧化鋯中，首次觀察并證實了具有一維特性的180°頭對頭與尾對尾帶電疇壁。這些一維帶電疇被限制在ZrO?的極性層內，其寬度和厚度均達到原子尺度（厚度t ≈ 2.55 ?，寬度w ≈ 2.7 ?）。定量分析揭示了其獨特的屏蔽機制：疇壁處的束縛極化電荷通過自平衡的氧原子占位變化（過量氧或氧空位）得到補償。研究進一步演示了電場驅動下對一維頭對頭帶電疇壁的操控，并揭示了極化翻轉與氧離子遷移之間的微觀耦合機制。這一發現為基于維度受限帶電疇壁的下一代高密度納米電子器件設計開辟了新途徑。相關研究成果以題為“Observation of one-dimensional, charged domain walls in ferroelectric ZrO2”發表在最新一期《science》上。魯東大學鐘海老師為本文一作，魯東大學為本文第二單位。

【ZrO?中的一維帶電疇壁】

通過脈沖激光沉積制備自支撐5 nm厚ZrO?薄膜，并利用多層切片電子疊層衍射成像技術進行原子尺度表征。該技術可同時對Zr與O亞晶格實現高質量成像，清晰顯示出非極性氧離子位于Zr晶格的中心對稱位置，而極性氧離子呈現偏心位移，二者交替排列形成由二維極性片層組成的三維晶體（圖1b）。

圖 1. 一維疇壁的概念與實現方案

在ZrO?納米晶的極性層內，觀測到均勻極化的二維鐵電疇以及維度受限的帶電疇壁。圖2a與2b分別展示了包含頭對頭與尾對尾帶電疇壁的代表性區域。頭對頭疇壁的放大圖（圖2c）顯示其空間上被限制在極性層內，疇壁核心處兩個極性氧（polar oxygen ions）基團被壓縮至單個Zr亞胞內。位移定量分析（圖2d）證實疇壁厚度僅為一個亞胞，與相鄰亞胞中標準極性氧位移（約0.54 ?）相符。尾對尾疇壁（圖2e）則呈現反轉的極性氧位移對稱性，疇壁核心存在氧空位（VO），其厚度同樣為亞胞尺度（圖2f）。這兩種疇壁的厚度t ≈ 2.55 ?，寬度w ≈ 2.7 ?（各為一個亞胞），長度l與晶粒尺寸一致（此處為5 nm，與薄膜厚度匹配），從而構成真正的一維結構。

圖 2. 一維帶電疇壁

【一維帶電疇壁的運動】

在掃描透射電子顯微鏡成像過程中，電子束輻照通過束-固相互作用在介電層中誘導凈正電荷積累，產生足以驅動疇壁運動和極化翻轉的局域電場（圖s7）。利用集成差分相位對比掃描透射電子顯微鏡，實現了對一維頭對頭帶電疇壁的直接操縱與觀測。圖3a至3c展示了同一區域在三個時間點的原子分辨率圖像（完整序列見影片S1與圖s8）。在I區和II區均出現一維頭對頭帶電疇壁，且它們獨立運動，這是由中間非極性間隔層介導的層間耦合可忽略所致（圖3a-c）。疇壁運動主要涉及O_p原子的位移，而Zr晶格保持靜止，盡管疇壁處存在氧過量積累，但未引起明顯的晶格畸變（圖s9）。對每個亞胞的O_p位移定量分析（圖3g-i）顯示，在動態運動期間，靠近疇壁的亞胞中O_p位移比遠離疇壁的亞胞最多增大約56 pm。與圖2c中觀察到的單亞胞厚度相比，這種頭對頭疇壁的表觀展寬可能源于電場驅動疇壁傳播過程中電荷補償的延遲。

圖 3. ZrO2 中 1D H-H CDW 運動

【極化翻轉與氧離子輸運的耦合】

由于一維頭對頭帶電疇壁容納過量氧離子，其傳播同時促進了氧離子的遷移。疇壁的運動介導了極化翻轉和跨疇的長程氧離子輸運。作者提出了以下微觀耦合機制：電場驅動間隙氧離子從晶界和界面注入極性層，觸發疇邊緣的極化反轉，形成頭對頭帶電疇壁；隨后電場驅動的疇壁運動至相反疇邊界，導致氧離子被排出，從而同時完成極化翻轉和氧離子輸運循環（圖4a-d，影片S2）。因此，螢石鐵電體中的二維極性層起到了氧離子導體的作用。為驗證該機制，研究制備了三組樣品并系統表征了其室溫鐵電極化強度和氧離子電導率。樣品a和b在3至4 V電壓下同時激活了氧離子傳導和宏觀極化，且極化強度與離子電導率呈正相關。盡管非鐵電樣品c無極化，但在高偏壓下仍觀察到可測量的電導率，這可能是由電場驅動的V_O遷移所致。值得注意的是，樣品a的室溫氧離子電導率超過10?? S/cm，超越了包括YSZ和CeO?在內的大多數傳統固體氧化物電解質（圖4e-f）。

圖 4. 螢石鐵電體中的耦合 CDW 運動與氧氣運輸

【總結】

本研究表明，在螢石鐵電體中，不僅二維180°中性疇壁（非極性間隔層）可達到單亞胞厚度（常被稱為“零厚度壁”），一維180°帶電疇壁也達到了單亞胞的終極厚度極限。這種極端限制可能源于其獨特的屏蔽機制：與主要依靠自由電子（或空穴）補償束縛電荷的傳統鈣鈦礦鐵電體不同，螢石鐵電體在穩固的陽離子框架內擁有高遷移率的氧離子和空位，這些帶負電或正電的物種有效補償了疇壁處的束縛極化電荷，從而實現了原子尺度厚度的疇壁穩定。關鍵在于，這些可移動氧離子的偏心位移構成了螢石鐵電體極性的基礎，使得電場驅動的一維帶電疇壁運動既能介導極化翻轉，又能同時完成跨疇的氧離子輸運。

螢石鐵電體中一維帶電疇壁的原子尺度尺寸和易電場調諧性，為下一代納米電子器件設計提供了潛力。類似的一維帶電疇壁構型可能超越螢石鐵電體，出現在其他具有亞胞分段鐵電性的材料中，有望推動基于維度受限帶電疇壁的疇壁納米電子學發展。