研究背景
極性斯格明子展現出豐富的物理現象與奇特的性能，在開發新型功能器件方面具有巨大潛力。
然而，目前斯格明子納米疇僅在少數材料體系中被發現，如鐵電/介電超晶格、自支撐的PbTiO?/SrTiO?外延雙層膜，以及超薄的Pb(Zr,Ti)O?/SrTiO?/Pb(Zr,Ti)O?三明治結構。這些異質結構依賴精心設計的邊界條件，以滿足拓撲相穩定所需的精細能量平衡，但這一需求嚴重限制了斯格明子在電子器件中的廣泛應用。
有鑒于此，青島大學溫崢教授課題組聯合南京大學楊玉榮和鄧昱團隊等研究者在“Nature Materials”期刊上發表了題為“Skyrmion nanodomains in ferroelectric–antiferroelectric solid solutions”的最新論文。他們在鐵電–反鐵電固溶體中實現了廣泛存在的斯格明子納米疇。該體系由鐵電PbTiO?與一種反鐵電材料PbSnO?（Pb(Ti?–?Sn?)O?）、PbHfO?（Pb(Ti?–?Hf?)O?）或PbZrO?（Pb(Ti?–?Zr?)O?）組成。通過調控鐵電與反鐵電極化序之間的偶極–偶極耦合和反鐵性旋轉–偶極耦合，形成斯格明子結構，從而實現拓撲相的穩定。
作者構建了三種固溶體系的相圖，明確了斯格明子納米疇的穩定區域。此外，這些非平凡疇結構還表現出優異的極化翻轉特性、可逆寫入/擦除能力以及良好的長期保持性能，支持極性構型的電調控。
研究亮點
（1）實驗首次在鐵電–反鐵電固溶體系中實現了極性斯格明子結構的穩定存在，打破了傳統對復雜異質結構依賴的局限。研究選取PbTiO?與三種反鐵電材料PbSnO?、PbHfO?和PbZrO?構建固溶體，發現僅通過本征組分調控即可實現斯格明子納米疇的形成，這是首次在無外加復雜結構設計條件下觀察到該類拓撲結構。
（2）實驗通過調控鐵電與反鐵電極化序之間的偶極–偶極耦合與反鐵性旋轉–偶極耦合，實現了斯格明子拓撲相的穩定，無需依賴去極化場或多層異質結構。
構建了三組固溶體系的相圖，系統展示了從條帶狀、Néel型迷宮結構到斯格明子紋理的疇演化過程，明確指出拓撲相穩定區間。
斯格明子納米疇在塊體與薄膜中均可穩定存在，表現出優異的極化可切換性，具備可逆寫入/擦除能力以及長期保持性，顯示出良好的電調控性能。
圖文解讀
圖1 skyrmion納米疇的形成
圖2 skyrmion納米疇的載體PFM表征
圖3 skyrion納米疇的STEM表征
圖4 有效哈密頓模型模擬
圖5 FE-AFE skyrmion系統相圖
圖6 skyrmion納米疇的切換
結論展望
本研究在易獲得的鐵電–反鐵電固溶體系中首次實現了斯格明子納米疇的穩定存在，突破了以往對復雜異質結構和嚴格邊界條件的依賴，顯著拓展了拓撲極性結構的材料體系。
這一發現不僅為構建新型拓撲鐵電器件提供了可行路徑，也為基礎理論研究提供了實驗平臺，尤其是有望推動對極性Dzyaloshinskii–Moriya相互作用的深入理解。研究中建立的相圖揭示了從條帶疇到斯格明子疇的演化機制，提供了調控極化構型的新手段，且該機制已在常規器件兼容結構中得到初步驗證，展示了良好的應用前景。
原文詳情：
Zheng, W., Ma, X., Pang, Z. et al. Skyrmion nanodomains in ferroelectric–antiferroelectric solid solutions. Nat. Mater. (2025).
https://doi.org/10.1038/s41563-025-02216-8
