电偶极子的组装方式与外场响应行为是电介质材料研究的核心问题。极性涡旋拓扑结构具有空间连续的极化旋转，是一类特殊的电偶极子组装形式。近年来，其凭借着新奇的物理特性与在电子器件方面的潜在应用而受到学术界的广泛关注与研究。然而，目前相关的外场调控研究主要局限于涡旋物态的产生或破坏，对其形态的连续调控较为少见。

近日，清华大学材料学院沈洋教授课题组在P(VDF-TrFE)基弛豫铁电聚合物中首次诱导出极性螺旋新物态。借助角分辨压电力显微镜，研究人员确认了极性拓扑“双螺旋”的极化特征，具有空间连续的Néel型极化旋转。

图1 弛豫铁电聚合物中极性螺旋拓扑

研究进一步发现，极性螺旋可在较低的电场或力场激励下发生非易失、准连续的旋转，分别可达130°（120 MV m-1）与780°（324 MPa）。

图2 极性螺旋在电场与力场作用下的非易失、准连续旋转

结合微区表征技术、第一性原理计算与相场模拟，研究发现极性螺旋的形成与场致旋转源于聚合物螺旋链间的不对称库伦相互作用与弱介电各向异性。

图3 弛豫铁电聚合物的结构表征与计算

极性螺旋的场致旋转相比经典的铁电翻转可展现更好的保持特性。

图4 极性螺旋的保持特性

极性螺旋的旋转相位可进一步利用红外光读取，因而这项工作有望应用于神经形态系统、场控空间光调制器等领域。

图5 极性螺旋在近场红外下的成像

2024年1月8日，该研究以“弛豫铁电聚合物中极性螺旋的电、力诱导旋转”（Electrically and mechanically driven rotation of polar spirals in a relaxor ferroelectric polymer）为题，在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）期刊。清华大学材料学院博士后郭梦帆、2021级博士生徐而翔和北京理工大学教授黄厚兵为该论文的第一作者。沈洋、郭梦帆与英国剑桥大学教授尼尔·马撒（Neil. D. Mathur）为该论文的共同通讯作者。清华大学材料学院教授南策文，副教授马静、易迪，北京大学物理学院研究员高鹏，中国工程物理研究院研究生院副研究员徐贲，武汉理工大学材料科学与工程国际化示范学院特聘研究员沈忠慧为该研究提供了重要帮助。该研究获得国家自然科学基金基础科学中心项目、国家重大科研仪器研制项目、清华大学自主科研计划、中国博士后科学基金的大力支持。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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