極性拓撲結構，已成為一個新興的研究領域，并在可重構電子器件中，具有潛在的應用前景。近日，來自清華大學的沈洋&南策文等研究者，報道了在鐵電聚合物中自組織的環狀拓撲結構，聚(偏氟乙烯-ran三氟乙烯)[P(VDF-TrFE)]中，它展示了具有反耦合手性域的同心拓撲。相關論文以題為“Toroidal polar topology instrained ferroelectric polymer”發表在Science上。

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在過去的幾十年里，自旋、電荷、軌道和晶格自由度的操縱，導致了許多關鍵的發現，如多鐵質、巨磁電阻和高溫超導體等。將實空間有序參數，組合成環形拓撲模式，如磁旋(自旋)、極渦(電荷)和極旋(電荷)，一直是廣泛研究的主題。這些拓撲結構的環面力矩，對外界刺激的響應，有望引起熱環效應、壓電環效應、手性的電場控制以及其他新興現象。在鐵電氧化物中，觀察到環狀極性拓撲結構，包括應變的PbTiO₃薄膜和交替的PbTiO₃/SrTiO₃層的超晶格。偶極矢量通量的閉合，是由彈性能量、電能量和梯度能量之間的競爭引起的，這涉及到電荷、軌道和晶格自由度的相互作用。

有機鐵電體，是一種很有應用價值的材料，因為它們可以溶液處理，成本較低，而且可能比陶瓷鐵電體，具有更好的靈活性。目前研究最多的有機鐵電體系，是聚偏氟乙烯(PVDF)及其二元和三元共聚物。PVDF的初級偶極矩，是由沿聚合物鏈的-CF₂和-CH₂基團交替產生的，而垂直于聚合物鏈的永久偶極，可以通過曲軸繞鏈軸旋轉而被電場轉換。然而，在鐵電聚合物中，還沒有觀察到環極性拓撲。PVDF中偶極矩的起源，與氧化物中偶極矩的起源不同。PVDF的半晶性，導致大量的非晶相具有隨機分布的鏈，阻礙了長程極性序的形成。這就提出了鐵電聚合物中，是否存在環極拓撲的問題，并且可以確定拓撲形成的驅動力。

在此，研究者在一個鐵電聚合物，聚(偏二氟乙烯-ran-三氟乙烯)[P(VDF-TrFE)]中，展示了新興的環狀極性拓撲結構。P(VDF-TrFE)層狀晶體的有效排列，其鏈間偶極垂直于，聚合物鏈自組織成同心模式，產生了環形極性拓撲此外，在P(VDF-TrFE)中觀察到平行于聚合物鏈的鏈內鐵電，導致了所觀察到的鐵電弛豫行為。兩個正交的極化相互耦合，產生了鏈內壓電的環形分布。P(VDF-TrFE)的居里躍遷引起的雙軸應變，是導致環向有序和弛豫行為的原因，因為局部應變和彈性能，在極化態的平坦能量景觀下重新分布。

彈性能、電能和梯度能之間的相互作用，導致垂直于聚合物鏈的極化連續旋轉和環向組裝，而弛豫行為是沿著聚合物鏈誘導的。這種環形極面結構，會周期性地吸收極化遠紅外(FIR)波，從而可以在介觀尺度上操縱太赫茲波。

圖1 環極拓撲的觀察。

圖2 P(VDF-TrFE)薄膜的表征與計算。

圖3 面向P(VDF-TrFE)薄膜的性質。

圖4 FIR波的空間周期性吸收。

綜上，研究者的觀察，為柔性鐵質材料向復雜拓撲結構的設計原則提供了信息，并為柔性電子器件中的多刺激轉換提供機會。（文：水生）