Science重大发现：应变铁电聚合物环极拓扑的首次揭秘

极性拓扑结构，已成为一个新兴的研究领域，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结构，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同心拓扑。相关论文以题为“Toroidal polar topology instrained ferroelectric polymer”发表在Science上。

在过去的几十年里，自旋、电荷、轨道和晶格自由度的操纵，导致了许多关键的发现，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)，一直是广泛研究的主题。这些拓扑结构的环面力矩，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，观察到环状极性拓扑结构，包括应变的PbTiO₃薄膜和交替的PbTiO₃/SrTiO₃层的超晶格。偶极矢量通量的闭合，是由弹性能量、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相互作用。

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，而且可能比陶瓷铁电体，具有更好的灵活性。目前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基团交替产生的，而垂直于聚合物链的永久偶极，可以通过曲轴绕链轴旋转而被电场转换。然而，在铁电聚合物中，还没有观察到环极性拓扑。PVDF中偶极矩的起源，与氧化物中偶极矩的起源不同。PVDF的半晶性，导致大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，并且可以确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结构。P(VDF-TrFE)层状晶体的有效排列，其链间偶极垂直于，聚合物链自组织成同心模式，产生了环形极性拓扑此外，在P(VDF-TrFE)中观察到平行于聚合物链的链内铁电，导致了所观察到的铁电弛豫行为。两个正交的极化相互耦合，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为的原因，因为局部应变和弹性能，在极化态的平坦能量景观下重新分布。

弹性能、电能和梯度能之间的相互作用，导致垂直于聚合物链的极化连续旋转和环向组装，而弛豫行为是沿着聚合物链诱导的。这种环形极面结构，会周期性地吸收极化远红外(FIR)波，从而可以在介观尺度上操纵太赫兹波。

图1 环极拓扑的观察。

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波的空间周期性吸收。

综上，研究者的观察，为柔性铁质材料向复杂拓扑结构的设计原则提供了信息，并为柔性电子器件中的多刺激转换提供机会。

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