《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。

论文链接：

https://science.sciencemag.org/content

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）

本文来自微信"大众,"号“材料科学与工程”。迎接转载请接洽，未经许可拒绝转载至其他网站。