鐵電鐵磁相關聯的拓撲結構為下一代高密度存儲器件重要研究方向之一。在鈣鈦礦氧化物多鐵材料（如PbTiO3/SrTiO3）中，疇結構因其與鐵電性、導電性、磁性等諸多豐富物理特性的緊密關聯而具有極高研究價值。課題組利用配備能量單色器的球差矯正掃描透射電子顯微鏡結合原位電學系統，發展了具有高調控自由度的原位實驗方法；在原子級別實現了對鐵電拓撲結構的有效操控與演變的實時，動態觀測；在電子結構層面揭示了拓撲結構的演變特徵；從而釐清了在外加電場作用下的拓撲相變規律；為高質量、高性能鐵電拓撲結構材料的設計提供了有價值的實驗依據。
圖1. 原子級別實時觀測和原位操控鐵電拓撲結構的轉變
本工作利用PLD生長獲取了原子級別平整的PbTiO3/SrTiO3多層薄膜材料，通過微結構表徵與GPA闡明瞭局域應力對鐵電疇結構規律性演變的調控作用。在此基礎上採用非接觸式原位電學方法，在原子級別實時觀測到了鐵電拓撲結構從渦旋態（vortex）、穩定波紋態（wave），進而到單疇極化狀態（polar down）的轉變過程。在對各演化階段的應力狀態進行探討的同時，利用原子級分辨的電子能量損失譜表徵手段，獲取了不同疇結構的電子結構信息，對可能存在於特定拓撲構型的電荷聚集與拓撲演變過程中的電荷轉移做出了預測。
圖2. 原子級別的電子能量損失譜表徵
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