《Science》:首次!应变铁电聚合物的环极拓扑

极性拓扑构造,已成为一个新兴的研究范畴,并在可重构电子器件中,具有潜在的应用前景。近日,来自清华大年夜学的沈洋&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构造,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齐心拓扑。相干论文以题为“Toroidal polar topology instrained ferroelectric polymer”揭橥在Science上。

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在以前的几十年里,自旋、电荷、轨道和晶格自由度的把持,导致了很多关键的发明,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),一向是广泛研究的主题。这些拓扑构造的环面力矩,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,不雅察到环状极性拓扑构造,包含应变的PbTiO3薄膜和瓜代的PbTiO3/SrTiO3层的超晶格。偶极矢量通量的闭合,是由弹机能量、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互相感化。

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,并且可能比陶瓷铁电体,具有更好的灵活性。今朝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基团瓜代产生的,而垂直于聚合物链的永远偶极,可以经由过程曲轴绕链轴扭转而被电场转换。然而,在铁电聚合物中,还没有不雅察到环极性拓扑。PVDF中偶极矩的来源,与氧化物中偶极矩的来源不合。PVDF的半晶性,导致大年夜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,并且可以肯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构造。P(VDF-TrFE)层状晶体的有效分列,其链间偶极垂直于,聚合物链自组织成齐心模式,产生了环形极性拓扑此外,在P(VDF-TrFE)中不雅察到平行于聚合物链的链内铁电,导致了所不雅察到的铁电弛豫行动。两个正交的极化互相耦合,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动的原因,因为局部应变和弹机能,在极化态的平坦能量景不雅下从新分布。

弹机能、电能和梯度能之间的互相感化,导致垂直于聚合物链的极化持续扭转和环向组装,而弛豫行动是沿着聚合物链引诱的。这种环形极面构造,会周期性地接收极化远红外(FIR)波,从而可以在介不雅标准上把持太赫兹波。

图1 环极拓扑的不雅察。

图2 P(VDF-TrFE)薄膜的表征与计算。

图3 面向P(VDF-TrFE)薄膜的性质。

图4 FIR波的空间周期性接收。

综上,研究者的不雅察,为柔性铁质材料向复杂拓扑构造的设计原则供给了信息,并为柔性电子器件中的多刺激转换供给机会。(文:水生)

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