近日，国家纳米科学中心郑强课题组与清华大学材料学院李千课题组等合作，在功能氧化物薄膜电畴翻转微结构表征与光电性能调控领域取得系列研究进展。相关成果以Giant electric field-induced second harmonic generation in polar skyrmions和Tuning the electro-optic properties of BaTiO3 epitaxial thin films via buffer layer-controlled polarization rotation paths为题，分别在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications 2024, DOI: 10.1038/s41467-024-45755-5）和《先进功能材料》（Advanced Functional Materials 2024, DOI: 10.1002/adfm.202315579）上。
近年来，电光调制器、频率梳、量子光源等新兴集成光子学器件的高速发展，对集成光子器件中的关键材料在性能和调制方面提出了更高的要求。多功能氧化物薄膜体系为光、电、磁等外场调控提供了良好平台，研究其内部电畴翻转、晶格畸变等微结构变化特征，并阐明这些微结构与光电性能之间的关联机制，对于实现功能氧化物薄膜宏观光电性能的调控至关重要。配有球差校正器的扫描透射电子显微学（scanning transmission electron microscopy，STEM）先进技术能在亚埃米尺度上精准探测畴结构、局域晶格和电子结构变化特征，为深入研究功能氧化物薄膜中极性斯格明子有序化、铁电极化翻转以及光电响应关系提供关键信息。
国家纳米科学中心郑强团队与清华大学李千团队、浙江大学洪子健团队合作，对具有高度有序化极性斯格明子的PbTiO3/SrTiO3超晶格薄膜进行了电镜显微表征和相场理论模拟研究，深入阐明了极性斯格明子电场诱导二次谐波产生（EFISH）效应的微观机制。该研究利用球差校正STEM的高角度环形暗场像（HAADF）定量获取原子尺度极性位移信息，并通过差分相位衬度（DPC）成像模式半定量地提取局部电场信息，证实了高质量的PbTiO3/SrTiO3超晶格薄膜中存在有序化的极性斯格明子（图1）。进一步的STEM原位电学实验以及理论模拟结果揭示了极性斯格明子在不同方向外加电场作用下迥异的变化过程，厘清了其晶体结构、极化构型和光学二次谐波产生（SHG）响应之间的关联性，对新型非线性集成光子学材料平台的实空间可视化表征及性能调控具有重要意义。
上述研究中，郑强研究员与清华大学材料学院李千副教授、浙江大学洪子健研究员为论文的通讯作者，清华大学材料学院2020级博士生王思旭、2021级博士生李为为论文的共同第一作者，国家纳米科学中心科研助理高汉滨为本文合作作者。论文的重要合作者还包括清华大学材料学院南策文院士、李敬锋教授、上海同步辐射光源李晓龙研究员、美国威斯康星大学麦迪逊分校Paul G. Evans教授等。原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-45755-5
此外，郑强团队与李千团队在另一项针对BaTiO3薄膜领域的合作研究中，利用STEM原子尺度定量分析技术发现，借助GdScO3缓冲层可在BaTiO3薄膜中实现逐渐过渡的极化旋转路径，并通过调控缓冲层厚度可获得一系列不同相结构的BaTiO3薄膜（图2）。随着缓冲层厚度的增加，薄膜相结构从面外四方相过渡至中间菱方相，并最终稳定为面内四方相。同时，基于STEM图像的几何相位分析（GPA）表明，这种结构调控策略的有效性源于GdScO3缓冲层的慢应变释放方式。该工作通过对系列样品的实空间表征和分析，对BaTiO3薄膜电光响应背后的畴翻转动力学进行了系统解析，为高性能电光材料和集成光子器件的设计提供了有效方案。郑强研究员与清华大学材料学院李千副教授、李敬锋教授、邓晨光博士后为论文的通讯作者，清华大学材料学院2023级博士生于涵、国家纳米科学中心2021级直博生郭宁、清华大学材料学院邓晨光博士后为论文的共同第一作者。论文的重要合作者还包括清华大学马静副教授，北京师范大学张金星教授等。原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202315579
国家纳米科学中心的双球差校正透射电子显微镜在以上两项研究工作中均发挥了重要作用。郑强团队通过改进硬件和数据采集方式，编写相关数据处理算法，在该电子显微镜上实现了同步分析原子尺度电场/电荷分布和晶格结构的皮米级变化。这些技术改良是定量表征上述两类功能氧化物薄膜原子尺度极化特征、重构局域电场分布并建立两者之间关联性的关键。
图1. 具有有序化极性斯格明子的PbTiO3/SrTiO3超晶格的结构特征及基于STEM的电场重构
图2. 不同GdScO3缓冲层厚度的BaTiO3薄膜STEM表征结果
