南策文、沈洋Science:铁电聚合物中发现极性涡旋拓扑新物态

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近日，清华大学材料学院南策文院士、沈洋教授带领的研究团队首次在铁电聚合物中发现涡旋极性拓扑新物态，并展示了涡旋极性拓扑导致的空间周期性太赫兹吸收现象。该研究工作丰富并深化了极性拓扑物态的内涵和外延，为柔性铁电材料中的拓扑物态调控开辟了新范式，也为柔性电子器件中的多场激励转换提供了新的设计思路。
       序参量在实空间中的涡旋性组装是近年来的凝聚态物理领域的前沿问题，相关实验现象如磁性斯格明子、极性涡旋、极性斯格明子等已在氧化物体系中被系统性地研究与报道。然而到目前为止，聚合物材料中的相关研究仍为罕见。通过制备铁电聚合物P(VDF-TrFE)的取向单晶薄膜，南策文、沈洋所带领的研究团队在受应变的聚合物单晶中观察到了具有显著涡旋序的极性拓扑，解析了铁电聚合物居里相变过程引入的双轴拉伸应变对涡旋序的促进作用。聚合物材料具有独特的主链旋转自由度，拉伸应变的引入将减少各旋转角度的自由能差异，可促进主链与极化在空间中的连续转动，从而诱导涡旋序在聚合物晶体中的产生。基于聚合物分子共振吸收的各向异性，研究中提出并验证了聚合物单晶中的高分辨空间周期性太赫兹吸收，可为太赫兹光栅与空间光调制器的设计提供材料基础。

铁电聚合物薄膜（左）展现涡旋极性拓扑（中）与空间周期性太赫兹吸收（右）

       此外，传统的铁电聚合物极化响应理论认为聚合物的铁电响应主要源于主链旋转带来的偶极子转动，而在平行于主链的方向则没有铁电响应。由于取向聚合物单晶薄膜中具有垂直于膜面的聚合物主链取向，该研究工作确认了薄膜在平行于主链方向仍具有显著的铁电、压电、介电响应。相关结果进一步丰富并深化了人们为聚合物的铁电响应机制的认识。

铁电聚合物中平行于主链方向的铁电（左上）、压电（右上）、介电（下）响应

        3月5日，上述研究工作以《应变铁电高分子中的涡旋极性拓扑》（Toroidal Polar Topology in Strained Ferroelectric Polymer）为题，在线发表于《科学》（Science）期刊。《科学》期刊同期配发题为《极化的旋转和涡旋》（Whirls and Swirls of Polarization）的观点文章。文章作者美国加州大学伯克利分校教授莱恩·马丁（Lane Martin）对该工作的背景进行了详细介绍，对其意义给予了高度评价，称“研究代表了一片材料结构设计广阔空间的开始，将在复杂材料中体系中诱导出新奇的介电、光学等物性”。
       清华大学材料学院2016级博士生郭梦帆为本论文的第一作者，沈洋教授与南策文院士为论文的共同通讯作者。清华大学材料学院林元华教授、王轲副研究员、易迪助理教授、李千助理教授、马静副教授、徐贲助理研究员，澳大利亚卧龙岗大学张树君教授，北京理工大学黄厚兵副教授，北京大学高鹏研究员，美国阿贡国家实验室约瑟夫·斯特扎尔卡（Joseph Strzalka）博士为本研究提供了重要帮助。本工作的开展获得了国家自然科学基金基础科学中心项目、国家杰出青年基金、国家重点研发项目的大力支持。
       论文链接：https://science.sciencemag.org/content/371/6533/1050


       文章来源：清华大学
       南策文，1962年生，湖北浠水人。教授，博士生导师，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，材料科学专家，清华大学材料科学与工程研究院院长，湖北理工学院院士。1982年和1985年于华东理工大学本硕毕业。1992年获武汉工业大学（现武汉理工大学）博士学位。1985年起，历任武汉工业大学助教、讲师、副教授、教授、博士生导师。1999年调任清华大学材料系教授。2000年清华大学长江学者奖励计划特聘教授。1992年获中国青年科技奖。1998年获国家杰出青年科学基金。2005年获国家自然科学奖二等奖。获国家发明专利22项。2011年12月，当选中国科学院院士。2012年当选发展中国家科学院（TWAS）院士。
        沈洋，男，1980年11月出生，清华大学教授。2002年7月于清华大学材料科学与工程系获得学士学位，2007年1月获清华大学工学博士学位。此后于2007年至2011年先后在美国加州大学圣巴巴拉分校和哈佛大学进行博士后研究。2011年1月进入清华大学材料学院工作至今。近年来在具有超高储能密度的聚合物复合电介质和全固态柔性锂离子电池等领域取得了系列研究成果。曾荣获国家杰出青年科学基金（2016），入选教育部“长江学者奖励计划”青年学者（2016），中组部“万人计划”青年拔尖人才（2015），北京市科技新星（2013），获国家自然科学基金委首届优秀青年基金资助（2012），入选全国百篇优秀博士学位论文（2009）等。现作为项目负责人主持国家自然科学基金面上项目、杰出青年基金各一项，国家重点研发计划子课题一项，深圳市技术攻关重点项目一项，作为骨干参与自然基金重点项目、973项目子课题等多个项目。在包括Nature Communications (2篇)，Annual Review of Materials Research（2篇）, Advanced Materials（8篇）, Advanced Functional/Energy Materials（5篇）, Journal of American Chemical Society，Materials Today等刊物共发表SCI论文150余篇，他引6400余次， H因子40。获授权发明专利21项。受邀在国内外学术会议做邀请报告近20次，担任中国物理学会秋季年会电介质分会召集人和2018MRS Spring Meeting Symposium co-chair等。担任SCI期刊Applied Surface Sciences，Science Bulletin副主编。担任亚洲电子陶瓷联盟执委会委员、中国复合材料学会介电高分子复合材料与应用专委会常务副主任、中国物理学会电介质专委会委员等。