铁电材料ferroelectrics的拓扑畴Topological domains，因其新颖功能和在电子器件中的潜在应用，而备受关注。然而，到目前为止，这种拓扑极性结构仅在氧化物衬底上生长的超晶格中可以观察到，这就限制了其在硅基电子学中的应用。
今日，南京大学现代工程与应用科学学院 吴迪/聂越峰团队, 美国加州大学尔湾分校(University of California, Irvine)潘晓晴(Xiaoqing Pan)团队在Nature上发文，报道了在转移到硅上的钛酸铅/钛酸锶双层膜中，实现室温类斯格明子Skyrmion-like极性纳米畴。此外，外部电场可以可逆地将这些纳米畴转换为另一种类型的极性织构，这大大改变了其电阻行为。极化结构调制电阻，归因于两种极化织构核心中不同的能带弯曲和载流子分布。在硅上集成高密度（每平方英寸超过200千兆比特）可切换的类Skyrmion极性纳米域，有望实现氧化物拓扑极性结构的非易失性存储器应用。
High-density switchable skyrmion-like polar nanodomains integrated on silicon.
图1：PFM测量的PtO20/StO10双层的高密度极性纳米畴。
图2：通过载体PFM和4D STEM对PtO20/STO10双层的极性纳米畴极化图。
图3：PTO/STO双层类Skyrmion纳米畴的有效哈密顿模型模拟。
图4：硅上集成极性纳米畴的电阻行为。
该项研究报道了，在硅上集成PbTiO3/SrTiO3转移双层膜中观察到两种类型（中心发散和中心会聚）类Skyrmion极性纳米畴，可以通过施加外电场相互转换。基于这些拓扑纳米畴的高密度电阻存储器已经得到证明，并且可以通过切换纳米畴类型，实现控制“开”和“关”状态。集成在硅上的这种类型极性织构，有几个独特的优点：
（1）因其只有单层类Skyrmion纳米畴，而不是多层相互作用的Skyrmion，因此，更容易通过外部电场切换每个单独的纳米畴，从而允许有效的“写入”操作。此外，在没有多层纳米畴之间的干扰情况下，能够通过PFM测量直接映射偏振图案，这实际上是一种非破坏性的“读取”操作。
（2）因其是电阻状态的直接测量，所以这种“读”操作，可以比传统的铁电随机存取存储器快得多，在传统铁电随机存取存储器中，读过程是破坏性的，需要读后写架构。
（3）这种独特结构，可以集成在硅片上。在硅上集成高密度可切换的类Skyrmion极性纳米畴，可以实现使用氧化物拓扑极性结构的非易失性存储器应用。
文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04338-w
https://doi.org/10.1038/s41586-021-04338-w
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