2022年第二篇Nature！南京大学聂越峰、吴迪团队最新效果登正刊
前语
3月2日，南京大学聂越峰教授、吴迪教授与美国加州大学尔湾分校的潘晓晴教授作为通讯作者联合在全球尖端科研期刊《Nature》杂志宣布了题为“High-density Switchable Skyrmion-like Polar Nanodomains Integrated on Silicon”的论文。南京大学为本论文榜首完结单位。“TOP数据库”显现这是南京大学2022年第2篇《Nature》正刊，也是聂越峰教授参加南京大学后的第2篇正刊。
南大团队完结高密度极性拓扑畴
在硅基片上的集成与组态调控
3月2日，南京大学聂越峰教授、吴迪教授与美国加州大学尔湾分校的潘晓晴教授作为通讯作者联合在全球尖端科研期刊《Nature》杂志宣布了题为“High-density Switchable Skyrmion-like Polar Nanodomains Integrated on Silicon”的论文。南京大学为本论文榜首完结单位，南京大学现代工程与使用科学学院博士生韩露为论文榜首作者。这是南京大学2022年第2篇《Nature》正刊，也是聂越峰教授回国参加南京大学以来的第2篇正刊。
联合研讨团队在将钙钛矿氧化物铁电/介电自支撑双层结构与硅基片进行集成，取得了高密度的铁电拓扑纳米畴（～200 Gbit/inch2），并完结其阻态在外电场下的可逆调控。高密度、可擦写铁电拓扑纳米畴与硅基片的成功集成展示了别致氧化物极性拓扑结构在新式高密度非易失性存储器中的宽广使用远景。
审稿专家之一点评“这篇文章的构思以及高密度拓扑极性结构与硅基片的成功集成展示了将极性拓扑结构使用于新式存储器材方面十分达观的远景。
近年来，人们现已从理论和试验上报导了钙钛矿氧化物铁电薄膜、超晶格等体系中存在许多别致的非平凡极性拓扑畴结构，包含通量闭合畴、涡旋、极性“泡泡”畴、极性斯格明子、东床等，并表现出奇特的物理特性（如导电性增强、负电容等），有望用于开发新式铁电晶体管及存储器等器材。但是，虽然极性拓扑畴具有潜在的重要使用远景，但由于高质量钙钛矿氧化物薄膜资料的制备与当时老练的互补金属氧化物半导体工艺（CMOS）缺少兼容性，难以将各种极性拓扑畴结构使用于新一代电子器材中。别的，极性拓扑畴的构成是体系中弹功用、静电能和梯度能之间在细小不同内相互竞争平衡的成果，因而需求特别的资料结构规划，主要是在氧化物单晶衬底上取得，能否完结其与硅基片的集成仍是一个重要的科学问题。
为处理钙钛矿氧化物与半导体资料的集成问题，聂越峰教授课题组测验将氧化物铁电薄膜制备成高质量自支撑晶体膜，并将这些独立的功用单元进行组合及搬运到半导体基片上以完结功用的整合。在前期的作业中，该课题组经过展开氧化物分子束外延（Oxide MBE）技能，处理了氧化物薄膜与界面的单原子层精度原位监控与制备的技能难题[Nat. Commun. 9.1, 2965 (2018)，Appl. Phys. Lett. 111, 011601 (2017)]，并成功完结了一系列高质量、单胞精度可控的自支撑钙钛矿铁电氧化物薄膜的制备，如BiFeO3 及PbTiO3 等体系[Nature 570, 87 (2019)、Adv. Mater. 34, 2105778(2022)]、[Adv. Mater. Interfaces 7, 1901604 (2020)]。在本作业中，该小组将自支撑PbTiO3/SrTiO3（PTO/STO）铁电/介电薄膜搬运至硅基底上以进行集成。经过体系探究，在特定厚度份额的自支撑双层结构中完结弹功用、静电能等之间的平衡，取得了高密度极性拓扑畴及其阻态的调控。
图1 PTO20/STO10双层膜中高密度铁电纳米畴的完结。
（a）自支撑双层膜中铁电纳米畴示意图。
（b）自支撑双层膜的AFM描摹、VPFM振幅、VPFM相位、LPFM振幅和LPFM相位图。
（c）中心发散和（d）中心集聚型纳米畴的扩大图。
经过与吴迪教授课题组及潘晓晴教授课题组协作，凭借矢量压电力显微镜及扫描透射电子显微镜在PTO/STO双层膜中观测到两种类型（中心发散型和中心集聚型）的高密度（～200 Gbit/inch2）极性纳米畴结构（图1）。其间，中心发散型纳米畴表现出具有相似Néel型极性斯格明子的结构，而中心集聚型纳米畴则表现出仅具有面内重量极化回转的风趣结构。一起，美国阿肯色大学Laurent Bellaiche教授及南京大学杨玉荣教授经过有用哈密顿量办法模仿证明了在PTO/STO双层膜中可以安稳存在上述两种杂乱的极性拓扑结构。
此外，试验还发现这两种类型的拓扑纳米畴可以在外加电场下相互转化，并伴随着凹凸阻态之间的可逆改换（图2）。使用此可逆阻态改动，经过电场改动极性纳米畴的类型即可完结电路的“开”和“关”状况，然后有望使用于高密度、低能耗、非易失性铁电存储器中。比较于人们前期在铁电氧化物超晶格中观测到的多层铁电斯格明子拓扑结构，此作业在铁电/介电双层结构中观测到的单层极性拓扑畴可以有用地防止多层拓扑畴结构的层间相互影响，更简单经过外部电场调控每个独立的纳米畴结构，然后有望完结高效、节能的读写操作。
图2 自支撑氧化物双层结构中极性拓扑纳米畴的可逆阻态调控。（a）在+5 V i) 和-5 V ii) 扫描后在同一区域的描摹、VPFM/LPFM及CAFM图画。
（b）施加+5 V和-5 V偏置电压可以完结在低阻态中心发散型纳米畴和高阻态中心集聚型纳米畴之间可逆切换。
（c）两种不同类型拓扑结构的能带示意图。
审稿专家之一点评“这篇文章的构思以及高密度拓扑极性结构与硅基片的成功集成展示了将极性拓扑结构使用于新式存储器材方面十分达观的远景。”高密度、可擦写极性拓扑结构可以被成功集成在硅基片上，而且经过光刻流程后仍能安稳存在，开始展示了将丰厚的氧化物极性拓扑结构与传统半导体工艺相结合以开发新式低能耗、高功用电子器材的可能性。
与此一起，需求留意的是，这离实践使用还有悠远的间隔，仍有一系列重要的科学问题需求处理。首要，怎么完结晶圆尺度的大面积、高质量自支撑氧化物薄膜的成长和搬运还存在巨大的应战；其次，现在的读写电压还相对很高，还需求进一步优化结构以下降读写电压才干到达商用存储器材的低能耗、非易失性读写的要求；再次，极性拓扑畴结构能否制备成阵列结构以及在顶、底电极间是否安稳存在还需求体系探究。上述难题的处理以及测验将更多别致的极性拓扑结构与半导体基片进行集成都将推进氧化物极性拓扑结构往新一代电子器材使用方面更进一步，值得展开深化体系的探究。
个人简介
韩露，南京大学现代工程与使用科学学院2016级博士，本科就读于南京大学。她的研讨方向为分子束外延薄膜制备。
南京大学现代工程与使用科学学院首届学生科创导师，2015年获第十四届“应战杯”全国大学生课外学术科技著作比赛一等奖。2013年获第六届全国计算机规划大赛三等奖。
聂越峰，南京大学现代工程与使用科学学院教授、博士生导师。海外高层次青年人才、获江苏省“双创人才”及南京大学“紫金学者”人才基金赞助、世界学术期刊《APLMaterials》的参谋委员会成员。2015年参加南京大学并建成具有世界先进水平的氧化物分子束外延（Oxide-MBE）及原位角分辩光电子能谱（ARPES）试验渠道。
聂教授的研讨范畴为新式磁电功用低维资料的原子层构筑、新颖物性与调控/单原子层精度氧化物薄膜与界面的分子束外延(MBE)制备/角分辩光电子谱(ARPES)电子结构表征。
吴迪，现任南京大学现代工程与使用科学学院院长、教授、博士生导师。本科及博士均结业于南京大学。曾在法国国家科学研讨中心图卢兹资料表征中心拜访研讨。科技部国家严重科学研讨方案项目首席科学家，国家杰出青年科学基金取得者，教育部长江学者特聘教授。
吴迪教授的研讨作业会集在钙钛矿氧化物薄膜和异质结构的制备与表征，经过准确操控异质结构界面两边的组分、应变、界面耦合等参数取得天然资料不具备的新现象和新效应，为新一代信息存储和传感器材供给新资料和新技能，详细包含：
（1）铁电薄膜及其尺度效应：钙钛矿和HfO2基铁电薄膜
（2）铁电和多铁性器材：铁电(多铁性)地道结、电介质储能、负电容晶体管
（3）相关氧化物异质界面：3d/3d、3d/5d界面的晶格、电荷、自旋和轨迹耦合
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