先进材料：“撕裂-堆叠”法精准制备扭转氧化物摩尔超晶格

为了解决这一问题，南方科技大学李江宇、黎长建团队与南京大学李宇豪博士合作，借鉴二维材料中常用的“撕裂-堆叠”法，并结合快速退火工艺制备了具有高质量界面接触的双层扭转SrTiO₃薄膜，实现了扭转角度的精确（0.1°）控制和优异的界面质量。在高质量摩尔超晶格中，研究团队还结合变焦STEM的应变分析以及界面结构分析，发现界面应变分布局限在±1 nm。在界面应变作用下，通过挠曲电效应，诱导出极性涡旋阵列。现有研究结果表明降低上下组成层厚度（小于等于1 nm）是最大利用氧化物扭转界面新奇物性的必要条件。

“撕裂-堆叠”法

图1 

(a) “撕裂-堆叠”法制备工艺流程。

(b) 9.0°扭转的STO原子模型；其对应的AA与AB堆叠模型如右图所示。

(c-e) 分别为扭转角为9.0°、4.0°及3.4°的扭转双层STO的HAADF-STEM图。

扭转STO异质结构的截面原子尺度结构及电子结构分析

为系统的验证STO扭转界面的接触质量，该团队还开展了界面HAADF成像与原子级分辨的EDS元素分布分析，结果证实了上下STO之间形成了无间隙的原子级接触。基于逐个晶胞c/a比值分析进一步发现，界面两侧各约2个单胞(约0.8 nm)范围内，沿c轴方向的晶格显著的被拉长，表明扭转诱导的结构重构被严格的限制在这一狭窄的区域。

图2. 

(a, b) 沿[100]晶带轴从顶层(a)与底层(b)STO观测所得的扭转界面原子分辨率HAADF-STEM图像；红色与蓝色球体分别代表Sr和Ti原子；比例尺为1 nm。

(c) 界面区域逐个晶胞的c/a比值分布图。

(d) HAADF-STEM图像及对应的Sr (e)、Ti (f)与“Sr+Ti” (g) EDS元素分布图；比例尺为1 nm。

界面应变作用范围

在界面结构重构的启示下，团队通过对不同焦距下的STEM平面图像进行几何相位分析，揭示了界面附近出现周期性的剪切应变分布。并且上下两层的剪切应变相反，反映出很强的层间耦合作用，且扭转诱导的应变局限在界面上下约±2 nm范围内（受限于STEM景深）。

图3.

(a-f) 以1 nm为离焦步长，获取的3.4°扭转STO (顶层与底层厚度约5 nm)的聚焦系列HAADF图；比例尺为2 nm。

(g-l) 根据图像(a-f)的聚焦系列计算所得的对应剪切应变( ε_xy)分布图。

(m-n) 沿x和y方向横跨AA–AA区域的ε_{xy线性分布图。}

(o)  ε_{xy 的峰值与谷值随离焦值变化的函数关系图。}

摩尔超晶格构筑拓扑极性涡旋阵列

在扭转摩尔超晶格中，原子级极化分析结果展示出摩尔超晶格周期性一致的极化涡旋。其中，AA堆叠区域展现出顺时针极性涡旋，而AB区域展现出逆时针极性涡旋结构。通过纳米级应变分析及应变梯度定量分析，并结合有限元模拟，进一步确定了其极性涡旋来源于挠曲电效应。

图4.

(a) 扭转双层STO的HAADF-STEM图像，其上叠加了Ti原子位移矢量图；蓝色与红色圆圈分别标示AA和AB堆叠区域。

(b) 对应(a)图区域的剪切应变分布图。

(c) 叠加于极化分布图上的极化场旋度图；红色区域(正旋度，顺时针)与蓝色区域(负旋度，逆时针)揭示出拓扑涡旋结构。

(d) 对应区域剪切应变的有限元模拟图。

(e) 相同区域极化矢量场的有限元模拟图。

氧化物扭转电子学准二维极限

为探索“撕裂+堆叠”法制备氧化物摩尔超晶格的厚度极限，团队制备了3 nm和0.8 nm的扭转双层STO样品（图5）。3 nm样品仍能形成清晰的摩尔超晶格，而当厚度将至0.8 nm时，尽管摩尔条纹依然可见，但其中已经出现明显的非晶区域。考虑到界面重构的厚度作用范围，体现了氧化物扭转电子学的可能性以及进一步提升界面质量的必要性。

图5.

(a) 单层STO薄膜厚度为3 nm及(b) 0.8 nm的扭转双层STO的HAADF图；比例尺为2 nm。

文章的第一作者为南方科技大学材料科学与工程系博士生张英利和硕士研究生葛锦昕；李江宇讲席教授、黎长建副教授以及南京大学李宇豪副研究员为论文的共同通讯作者，南方科技大学黄博远副教授和湖南大学钟高阔教授也对该工作提供了指导。以上工作受到国家自然科学基金委面上项目、广东省信息功能氧化物材料与器件重点实验室的支持。