上世纪四十年代，物理学家Kittel就指出由于晶体的各向异性能和相邻自旋磁矩的相互耦合，磁性材料中可能存在特殊的磁畴结构。这类特殊磁畴结构，如通量闭合畴、涡旋畴、反涡旋畴以及磁性斯格明子等，随后被实验证明并定义为磁性拓扑结构。类似于磁性材料中未成对电子形成的净自旋在居里温度以下形成自发磁矩，铁电材料中晶体对称性畸变诱导正、负电荷中心相对偏移，从而形成电偶极矩，产生自发铁电极化。当铁电材料体系被缩小到微纳米尺寸时，在晶格应变、表面退极化场和静电能的相互作用下，自发铁电极化理论上也可能形成与铁磁拓扑结构类似的、非平凡的、平滑变化的极化拓扑结构。近年来，研究人员在钙钛矿铁电超晶格和铁电薄膜中，证明存在涡旋、中心畴、极化斯格明子等许多新奇极化拓扑结构，发现了许多新颖的物理现象和应用前景，引发了铁电极化拓扑结构的研究热潮。

近日，西安交通大学材料学院的邓俊楷教授课题组与航天学院的刘益伦教授和墨尔本大学的刘哲教授通力合作，通过多尺度模拟方法将铁电极化拓扑结构及其调控拓展到二维铁电材料中。首先，研究团队利用第一性原理计算，发现二维PbX（X = S，Se，Te）材料可通过应变诱发“顺电-铁电”相变，并确定了材料的“应变-极化”相图；随后，基于二维PbX材料具有优异的面外屈曲变形的特点，研究团队采用基于深度学习势的大规模分子动力学，模拟“纳米压痕”实验，发现二维PbX材料在复杂应变场条件下可诱发“类斯格明子”的极化涡旋拓扑结构；最后，利用有限元模拟，通过设计不同几何压头的纳米压痕或压力鼓泡等机械载荷导致的复杂应变场，在二维PbX材料中实现了可回复的极性涡旋、反涡旋和通量闭合畴等多种二维曲面铁电极化拓扑结构。研究工作证明了利用复杂应变场，可在柔性二维铁电材料中，设计各种可逆的极化拓扑结构，有望为开发基于新型二维铁电材料的高密度存储器和传感器等功能器件提供新的思路。

以上研究成果以《二维拓扑表面上可调控铁电拓扑缺陷：复杂应变工程诱发类斯格明子二维极化拓扑结构》（Tunable Ferroelectric Topological Defects on 2D Topological Surfaces: Complex Strain Engineering Skyrmion-Like Polar Structures in 2D Materials）为题发表于国际学术期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials，影响因子IF=19）。西安交通大学为论文的第一作者和第一通讯单位，材料学院博士生徐博、弓站朋和航天学院博士生刘静冉为论文的共同第一作者。本项研究得到了国家自然科学基金面上项目、陕西省重点研发计划、创新引智111计划2.0项目的资助。研究也得到了西安交通大学高算平台和西安未来人工智能计算中心提供的超算算力和技术支持。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202311599