铁电体中热和电磁生成以及手性的切换的制作方法

1.本公开涉及用于在纳米结构铁电体中生成和切换极化场的手性的技术。背景技术：2.lord kelvin(开尔文勋爵)在1894年引入的手性或手型性是描述非镜像对称物体的基本属性。手性物体的典型示例是人手。左手是右手的不重叠镜像。不管两只手如何定向，它们都不能重合。在数学上，如果物体不能通过旋转和平移的任何组合被映射到它的镜像，则该物体是手性的(或者说具有手性)。手性区分手性物体的左旋变型和右旋变型，也称为对映异构体。鉴于比如葡萄糖、纤维素以及dna分子等各种各样的有机物质是非镜像对称的，因此分子手性是立体化学和生物化学中的主要概念。手性分子是具有非重叠镜像的分子。3.因为手性材料具有罕见的激光操纵能力，比如手性感测、旋光性、负折射率旋光能力、以及圆二色性等，所以手性成为现代材料科学的焦点。由于这些能力，手性材料在光电子学和等离激元学中具有多种多样的应用。然而，制造具有可调整且可切换的手性的手性纳米材料，即，设计具有可控且可配置的手性的纳米级无机混合物体，仍然是一项挑战。新一代手性纳米材料的一些示例包括手性金属粒子和纳米晶体、dna组装的等离激元纳米结构、核壳等离激元球、以及组装在支架上的手性等离激元粒子。出现的问题是手性纳米材料通常被制造为左旋粒子和右旋粒子的外消旋混合物，该外消旋混合物的平均手性响应消失。但对于实际应用，非常期望的是具有单手性的系统。4.获得单手性的纳米材料的一种方式是引入对映选择性合成。替代性方法是在生产之后根据纳米材料的手性而分别对纳米材料进行过滤或分拣。这两种方法都使纳米粒子的工业制造大大复杂化。5.解决这些问题的可能方式在以下文献中进行了概述：luk’yanchuk等人,“hopfions emerge in ferroelectrics[铁电体中出现的霍普夫子]”nat.commun.[自然通讯]11,2433(2020)和tikhonov等人,“controllable skyrmion chirality in ferroelectrics[铁电体中可控的斯格明子手性]”,sci.rep.[科学报告]10,8657(2020)。技术实现要素：[0006]鉴于高技术需求，寻求创建单手性系统、使这些系统的手性可切换且可调整的方法。对应的技术允许制造具有期望的手性、并且最重要的是具有可控的手性的纳米结构。控制可以涉及对手性进行切换、调整、配置以及重新配置。特别地，需要一种用于在纳米结构的制造之后且独立于纳米结构的制造可逆地且多次切换单个纳米结构的手性的方法。[0007]该目的通过根据权利要求1所述的方法来实现。权利要求14涉及一种用于生成具有预定义手性的极化状态的纳米结构铁电体的装置。从属权利要求涉及优选实施例。[0008]由手性分子构成的材料在从非线性光学和自旋电子学到生物学和药物学等领域具有广泛的应用。然而，手性通常是给定材料的不变的固有属性，无法轻易地随意改变。本公开提出了一种使得能够对纳米结构铁电体的手性进行配置、切换以及调整以确保这些纳米结构铁电体在各种应用中的广泛利用的方法。[0009]在第一方面中，纳米结构铁电体适于提供高温状态和低温铁电状态。在低温铁电状态下，纳米结构铁电体具有来自多个极化状态中的极化状态。该多个极化状态至少包括具有第一手性的第一手性极化状态以及具有不同于第一手性的第二手性的第二手性极化状态。一种用于生成具有预定义手性的纳米结构铁电体的方法包括：从第一手性和第二手性中选择预定义手性；根据预定义手性来选择电磁场；提供高温状态下的纳米结构铁电体；将电磁场施加至高温状态下的纳米结构铁电体；以及在施加电磁场的同时，将纳米结构铁电体从高温状态冷却至低温铁电状态，以建立具有预定义手性的纳米结构铁电体的极化状态。[0010]纳米结构铁电体的极化状态提供了可切换的手性。可切换手性的极化结构可以例如应用在存储应用和感测应用中，特别是使用极化相关的光学控制和/或读出。温度变化方案使纳米结构跨越铁电状态与高温状态之间的转变，其中，具有不同手性的极化状态之间的能量势垒被降低。因此，该方法可以使用根据预定义手性选择的电磁场来可靠地将纳米结构铁电体驱动至具有预定义手性的极化状态。[0011]因此，该方法可以提供纳米结构铁电体的极化状态的可控手性。可控手性可以包括可调整、可切换和/或可重新配置的手性。特别地，可控手性可以是可多次调谐、可多次切换和/或可多次重新配置的，和/或独立于纳米结构铁电体的初始制造。[0012]与没有进行热处理的方法相比，所公开的方法降低了可靠切换所需的电磁场的幅度。[0013]纳米结构铁电体可以包括钛酸铅、锆钛酸铅、氧化锆、氧化铪锆或氧化铪、特别是掺杂例如硅的掺杂氧化铪。[0014]纳米结构铁电体可以包括多铁性材料。[0015]根据一些实施例，包括在该多个极化状态中的任何极化状态具有第一手性或第二手性。[0016]根据实施例，纳米结构铁电体沿第一方向的第一延伸是至多1000nm、特别是至多200nm、至多100nm或至多80nm。[0017]纳米结构铁电体沿第二方向的第二延伸可以是至多1000nm、特别是至多200nm、至多100nm或至多80nm。特别地，第二方向可以垂直于第一方向。[0018]纳米结构铁电体沿第三方向的第三延伸可以是至多1000nm、特别是至多200nm、至多100nm或至多80nm。特别地，第三方向可以垂直于第一方向和/或第二方向。[0019]纳米结构铁电体可以是层，并且第一延伸可以对应于层的厚度。[0020]纳米结构铁电体可以具有柱体的形状，并且第一延伸可以对应于柱体的高度。[0021]纳米结构铁电体可以具有杆的形状。第一延伸、第二延伸或第三延伸可以对应于柱体的高度。第一延伸、第二延伸或第三延伸可以对应于杆的宽度。第一延伸、第二延伸或第三延伸可以对应于杆的长度。[0022]在一些实施例中，纳米结构铁电体可以具有盘的形状。第一延伸或第二延伸可以对应于盘的直径。第一延伸或第二延伸可以对应于盘的高度。[0023]柱体可以是矩形柱体，并且第二延伸可以对应于矩形柱体的矩形基底的边长。[0024]在一些实施例中，纳米结构铁电体可以具有球的形状，并且第一延伸可以对应于球的直径。[0025]在其他实施例中，纳米结构铁电体可以具有金字塔的形状，并且第一延伸可以对应于金字塔的边长。[0026]高温状态可以是顺电状态。[0027]在高温状态下，纳米结构铁电体可以具有非手性极化状态。[0028]冷却可以包括将纳米结构铁电体从高于纳米结构铁电体的居里温度的温度冷却至低于纳米结构铁电体的居里温度的温度。[0029]低温状态可以对应于纳米结构铁电体的室温状态。[0030]施加电磁场可以包括用电磁波辐照纳米结构铁电体。[0031]电磁波可以包括微波、太赫兹波、红外线、可见光、紫外线、或x射线辐射。[0032]电磁波的中心波长可以是至少190nm、特别是至少250nm、特别是至少370nm、特别是至少700nm。[0033]电磁波的中心波长可以是至多3000nm、特别是至多1400nm、至多1100nm、或至多980nm。[0034]中心波长可以对应于电磁波的所有波长的加权平均值。[0035]电磁波可以是脉冲电磁波，其脉冲持续时间特别是至多1ns、特别是至多300ps、至多100ps、至多40ps、至多10ps或至多2ps。[0036]根据实施例，纳米结构铁电体处的脉冲电磁波的每脉冲单位面积的能量不超过100mj/cm2、特别是不超过70mj/cm2或不超过40mj/cm2。[0037]提供高温状态下的纳米结构铁电体可以包括使用电磁波加热纳米结构铁电体。[0038]电磁波可以是椭圆极化的。椭圆极化的电磁波的手性可以对应于预定义手性。[0039]电磁波可以是圆极化的。圆极化的电磁波的手性可以对应于预定义手性。[0040]椭圆极化电磁波或圆极化电磁波可以提供刺激，以使具有第一手性的第一手性极化状态在能量上优于具有第二手性的第二手性极化状态。这增强了纳米结构铁电体在冷却至低温铁电相后发展出第一手性极化状态的可能性。[0041]该方法可以进一步包括特别是在施加电磁场的同时和/或在冷却纳米结构铁电体的同时，由衬底支撑纳米结构铁电体。[0042]衬底可以与纳米结构铁电体直接接触并且可以适于在纳米结构铁电体中引起应力或应变；特别地在实施例中，其中，纳米结构铁电体包括钛酸铅和/或锆钛酸铅，和/或其中，衬底包括钛酸锶。[0043]衬底可以在纳米结构铁电体中引起应变或应力，该应变或应力可以用于定制纳米结构铁电体的(多种)手性基态。[0044]在一些实施例中，衬底可以适于在冷却纳米结构铁电体的工艺步骤中从纳米结构铁电体吸收热量。[0045]衬底可以适于在提供高温状态下的纳米结构铁电体的工艺步骤中从电磁波吸收能量并且将能量提供给纳米结构铁电体。[0046]在一些实施例中，衬底可以适于引导电磁波，特别是向纳米结构铁电体反射电磁波。[0047]纳米结构铁电体可以是被布置在衬底之上的铁电层。[0048]可以在纳米结构铁电体之上布置至少一个附加层、特别是非铁电的至少一个附加层。[0049]可以在至少一个附加层之上布置第二纳米结构铁电体。第二纳米结构铁电体可以是第二铁电层。[0050]在一些实施例中，可以在衬底与铁电层之间布置中间层、特别是介电中间层，例如非铁电的介电中间层。[0051]铁电层可以被包括在堆叠的多层结构中，该堆叠的多层结构包括多个铁电层和多个附加层。特别地，附加层可以是非铁电的。[0052]在一些实施例中，堆叠的多层结构可以包括交替布置的铁电层和附加层。[0053]衬底可以适于在提供高温状态下的纳米结构铁电体的工艺步骤中将热量传输至纳米结构铁电体。[0054]在冷却纳米结构铁电体的同时，纳米结构铁电体可以由固体基质或液体基质包围。[0055]在一些实施例中，固体或液体基质可以适于在冷却纳米结构铁电体的工艺步骤中从纳米结构铁电体吸收热量。[0056]固体基质或液体基质可以适于对电磁波而言是透明的。[0057]固体或液体基质可以适于在提供高温状态下的纳米结构铁电体的工艺步骤中将热量传输至纳米结构铁电体。[0058]电磁场可以是非均匀电磁场。[0059]该方法可以进一步包括在将纳米结构铁电体从高温状态冷却至低温铁电状态期间和/或之后：将非均匀电磁场施加至纳米结构铁电体，以将纳米结构铁电体传输至与预定义手性相关联的位置。[0060]施加非均匀电磁场可以包括将电磁波聚焦到位于纳米结构铁电体处或附近的焦点。[0061]该方法可以进一步包括使用非均匀电磁场使纳米结构铁电体从表面升起。[0062]在一些实施例中，该方法可以进一步包括将非均匀电磁场施加至具有不同于预定义手性的手性的第二纳米结构铁电体，以将第二纳米结构铁电体传输至不同于与预定义手性相关联的位置的第二位置。[0063]特别地，该方法可以包括将非均匀电磁场同时施加至纳米结构铁电体和第二纳米结构铁电体，以分离纳米结构铁电体与第二纳米结构铁电体。[0064]衬底可以是导电的，并且施加非均匀的电磁场可以在衬底中、特别是在衬底的表面处引起等离激元激发。等离激元激发可以适于根据纳米结构铁电体和第二纳米结构铁电体的极化状态的手性来将纳米结构铁电体和具有不同于预定义手性的手性的第二纳米结构铁电体分离。[0065]施加非均匀电磁场可以包括使用光学镊子。[0066]在一些实施例中，施加非均匀电磁场可以包括使用等离激元镊子、特别是等离激元阱刚度在0.1fn/(μm·w)至5fn/(μm·w)范围内或在0.1fn/(μm·w)至1fn/(μm·w)范围内的等离激元镊子。[0067]非均匀电场可以具有场极化，并且该方法可以进一步包括根据预定义手性来选择场极化。场极化可以是线性的、椭圆形的或圆形的。[0068]选择场极化可以包括选择圆极化或椭圆极化的手型性，或者选择线性极化的方向。[0069]施加电磁场可以包括将电压施加至被布置在纳米结构铁电体的相反侧的电极。[0070]电极可以被布置在包括该纳米结构铁电体的多个纳米结构铁电体的相反侧。特别地，该多个纳米结构铁电体可以是纳米结构铁电体的外消旋混合物。[0071]根据实施例，刚好一个纳米结构铁电体被布置在电极之间。[0072]根据一些实施例，电极中的至少一个具有沿第一方向的第一电极延伸，该第一电极延伸是至多1000nm、特别是至多200nm、至多100nm或至多80nm。[0073]根据实施例，电极中的至少一个具有沿第二方向的第二电极延伸，该第二电极延伸是至多1000nm、特别是至多200nm、至多100nm或至多80nm，其中，第二方向可以不同于第一方向、特别是垂直于第二方向。[0074]至少一个电极可以是尖端、特别是导电尖端、特别是适于提供扫描隧道显微镜尖端或导电原子力显微镜尖端的尖端。[0075]根据实施例，电场的绝对值不超过100kv/cm、特别是不超过10kv/cm。[0076]至少一个电极可以具有手性形状。[0077]在一些示例中，手性分子可以被吸附在纳米结构铁电体附近的至少一个电极上。特别地，手性分子可以是纳米管，例如碳纳米管。[0078]该至少一个电极可以是具有手性失真的尖端、特别是具有手性失真的导电尖端，比如具有手性失真的扫描隧道显微镜尖端或导电原子力显微镜尖端。[0079]尖端上的手性分子或尖端的手性失真可以提供手性电场，该手性电场可以用作刺激以在冷却期间驱动纳米结构铁电体进入预定义手性的极化状态。[0080]提供高温状态下的纳米结构铁电体可以进一步包括：提供低温铁电状态下并且具有第一手性的纳米结构铁电体；以及将纳米结构铁电体加热至高温状态。预定义手性可以是第二手性。[0081]根据本公开的方法可以提供在不同极化状态之间的可逆且可重复的切换。[0082]将纳米结构铁电体加热至高温状态可以包括使用电阻加热器。[0083]电阻加热器可以与纳米结构铁电体直接接触，或与支撑纳米结构铁电体的衬底直接接触，或与包围纳米结构铁电体的固体基质或液体基质直接接触。[0084]将纳米结构铁电体加热至高温状态可以包括使用微波加热器。[0085]将纳米结构铁电体加热至高温状态可以使用从电磁波吸收的能量。能量可以由纳米结构铁电体从电磁波中吸收。[0086]替代性地或另外，能量可以由支撑纳米结构铁电体的衬底、或由包围纳米结构铁电体的固体基质或液体基质从电磁波中吸收，并且该方法可以进一步包括由支撑纳米结构铁电体的衬底、或由包围纳米结构铁电体的固体基质或液体基质向纳米结构铁电体传输能量。[0087]在第二方面，一种用于生成具有预定义手性的纳米结构铁电体的装置包括保持元件、加热元件、场施加元件以及冷却元件。保持元件适于接纳纳米结构铁电体。加热元件适于将纳米结构铁电体加热至高温状态。场施加元件适于在纳米结构铁电体在高温状态下时将电磁场施加至纳米结构铁电体。冷却元件适于在使用场施加元件将电磁场施加至纳米结构铁电体的同时将纳米结构铁电体冷却至具有预定义手性的极化状态的低温铁电状态。[0088]纳米结构铁电体可以由以上在根据第一方面的方法的上下文中描述的特征中的一个或全部来表征。[0089]保持元件可以包括适于支撑纳米结构铁电体的衬底、特别是导电衬底。冷却元件可以包括衬底。[0090]特别地，衬底可以适于从纳米结构铁电体吸收热量，和/或衬底可以适于与纳米结构铁电体直接热接触。[0091]替代性地或另外，保持元件可以包括适于包围纳米结构铁电体的固体基质或液体基质。冷却元件可以包括固体基质或液体基质。[0092]特别地，固体基质或液体基质可以适于从纳米结构铁电体吸收热量，和/或固体基质或液体基质可以适于与纳米结构铁电体直接热接触。[0093]加热元件可以包括电阻加热器、特别是与保持元件直接热接触的电阻加热器和/或适于与纳米结构铁电体直接热接触的电阻加热器。[0094]场施加元件可以包括被布置在纳米结构铁电体的相反侧的电极。[0095]电极可以由以上在根据第一方面的方法的电极的上下文中描述的特征中的一个或全部来表征。[0096]该装置可以进一步包括监测元件，该监测元件适于监测纳米结构铁电体的极化状态、特别是监测纳米结构铁电体的极化状态的螺旋度或纳米结构铁电体的极化状态的手性。[0097]监测元件可以包括适于确定探测电磁波的极化的设备、特别是用于探测电磁波的旋光仪。监测元件可以进一步包括探测光源，该探测光源适于生成探测电磁波，将探测电磁波指引至纳米结构铁电体，并且在探测电磁波从纳米结构铁电体反射或透射穿过纳米结构铁电体之后，将探测电磁波指引至适于确定探测电磁波的极化的设备。[0098]该装置可以进一步包括辐射源，该辐射源适于生成电磁波，并且用电磁波辐照纳米结构铁电体。[0099]辐射源波可以提供加热元件和/或场施加元件。电磁波可以包括微波、太赫兹波、红外线或可见光辐射，或者可以是微波、太赫兹波、红外线或可见光辐射。[0100]辐射源可以被包括在光学镊子中。光学镊子可以适于将纳米结构铁电体传输至与预定义手性相关联的位置。替代性地或另外，光学镊子可以适于将纳米结构铁电体与具有不同于预定义手性的手性的第二纳米结构铁电体分离。[0101]辐射源可以被包括在等离激元镊子中。等离激元镊子可以适于辐照纳米结构铁电体的导电衬底，以在导电衬底中引起等离激元激发。导电衬底中的等离激元激发可以适于将纳米结构铁电体和具有不同于预定义手性的手性的第二纳米结构铁电体分离。替代性地或另外，导电衬底中的等离激元激发可以适于生成等离激元阱。等离激元阱可以适于将纳米结构铁电体与第二纳米结构铁电体分离。[0102]电磁波可以适于提供探测电磁波。[0103]该装置可以进一步包括聚焦光学器件，用于将电磁波聚焦至纳米结构铁电体上。特别地，聚焦光学器件可以包括透镜或显微镜物镜。[0104]聚焦光学器件和辐射源可以适于在接纳元件处、特别是在接纳元件的适于接纳纳米结构铁电体的位置处生成非均匀电磁场。非均匀电磁场可以适于将纳米结构铁电体传输至与纳米结构铁电体的极化状态相关联的位置、特别是传输至与纳米结构铁电体的极化状态的手性相关联的位置。[0105]聚焦光学器件和辐射源可以提供光学镊子，该光学镊子适于根据纳米结构铁电体的极化状态、特别是根据纳米结构铁电体的极化状态的手性来移动纳米结构铁电体。[0106]在一些实施例中，保持元件可以包括导电衬底。[0107]辐射源和聚焦光学器件可以适于在导电衬底中、特别是在导电衬底的表面处引起等离激元激发。[0108]聚焦光学器件、辐射源和导电衬底可以提供适于根据纳米结构铁电体的极化状态来移动纳米结构铁电体的等离激元镊子、特别是等离激元阱刚度在0.1fn/(μm·w)至5fn/(μm·w)的范围内、或在0.1fn/(μm·w)至1fn/(μm·w)的范围内的等离激元镊子。附图说明[0109]从根据附图对示例性实施例的描述中，本公开的技术以及与这些技术相关联的优点将变得最清楚的，在附图中：[0110]图1a示出了呈手形状的左旋对映异构体和右旋对映异构体的说明性示例；[0111]图1b示出了呈螺旋线形状的左旋对映异构体和右旋对映异构体的说明性示例；[0112]图2示出了铁电体的手性畴壁；[0113]图3a示出了呈铁电薄膜形式的纳米结构铁电体，该纳米结构铁电体具有包括斯格明子的手性极化状态；[0114]图3b示出了呈多层结构形式的纳米结构铁电体，该纳米结构铁电体具有铁电薄膜，该铁电薄膜具有带有涡旋的手性极化状态；[0115]图4示出了纳米结构铁电体的势能面；[0116]图5图示了根据实施例的用于生成纳米结构铁电体的预定义手性的方法和装置；[0117]图6a图示了根据另一实施例的用于生成纳米结构铁电体的预定义手性的方法和装置；[0118]图6b图示了根据另一实施例的用于生成纳米结构铁电体的预定义手性的方法和装置；[0119]图7a图示了根据另一实施例的用于生成纳米结构铁电体的预定义手性的方法和装置；[0120]图7b图示了根据另一实施例的用于生成纳米结构铁电体的预定义手性的方法和装置；[0121]图8示出了呈纳米点形式的纳米结构铁电体，该纳米结构铁电体具有与畴壁相关联的手性极化结构；[0122]图9a示出了呈纳米粒子形式的纳米结构铁电体，该纳米结构铁电体具有手性极化结构且没有畴壁；[0123]图9b示出了呈纳米点形式的纳米结构铁电体，该纳米结构铁电体具有不同的手性极化结构且没有畴壁；[0124]图10a图示了根据另一实施例的用于生成纳米结构铁电体的预定义手性的方法和装置；[0125]图10b图示了根据另一实施例的用于生成纳米结构铁电体的预定义手性的方法和装置；[0126]图11a图示了根据另一实施例的用于生成纳米结构铁电体的预定义手性的方法和装置；[0127]图11b图示了根据另一实施例的用于生成纳米结构铁电体的预定义手性的方法和装置；[0128]图12a图示了根据另一实施例的用于生成纳米结构铁电体的预定义手性的方法和装置；[0129]图12b图示了根据另一实施例的用于生成纳米结构铁电体的预定义手性的方法和装置；[0130]图13图示了根据实施例的用于使用对映选择性传输生成纳米结构铁电体的预定义手性的方法和装置；以及[0131]图14图示了根据另一实施例的用于使用对映选择性传输生成纳米结构铁电体的预定义手性的方法和装置。具体实施方式[0132]现在将参考来自材料科学领域的几个不同实施例来描述本公开的技术。尽管一些特征将仅关于这些实施例中的一些来描述，但是本领域技术人员将理解的是，这些实施例可以被组合，因此这些特征通常可以存在于所描述的实施例的一些或全部中。[0133]图1a和图1b示出了手性结构的两个示例，即，图1a中的人手104l、104r以及图1b中的螺旋线106l、106r。手104l、104r以及螺旋线106l、106r作为两种不同的对映异构体存在。这些对映异构体是彼此关于镜面100的镜像。镜像104r、106r分别在其旋转方向102r或手性上与其原型104l、106l不同。在该上下文中，具有逆时针旋转方向102r的对映异构体被称为右旋对映异构体104r、106r，而具有顺时针旋转方向102l的对映异构体被称为左旋对映异构体104l、106l。[0134]图2示出了两个铁电畴202u、202d之间的手性铁电畴壁200l、200r。铁电体由剩余极化204u、204d来表征。与极化204u、204d相关的长程电场非常耗能。因此，块状铁电体通常呈现出畴壁200l、200r，这些畴壁降低了长程场和相关联的能量。[0135]在畴壁200l、200r附近，极化204u、204d通常被定向为与由畴壁200l、200r限定的表面平行。长期以来，人们认为在跨畴壁时极化会保持其取向并且仅改变其值，例如关于与极化204u平行的轴线从负变为正(伊辛畴壁)。然而，最近的实验已经发现铁电畴壁200l、200r处极化204u、204d会围绕畴壁200l、200r的表面法线208旋转，如图2所示。这种类型的畴壁被称为布洛赫(bloch)畴壁200l、200r。旋转方向102l、102r可以是顺时针方向102l或逆时针方向102r，产生左旋布洛赫畴壁200l或右旋布洛赫畴壁200r。布洛赫畴壁202l、202r是手性的并且不能通过镜面反射和/或空间旋转变换与自身重叠。[0136]在块状铁电体中，铁电畴和畴壁在随机位置处以随机取向形成。然而，对于许多实际应用，受控的取向和布置可能是优选的。为此目的，铁电体至少沿一个方向被纳米结构化。[0137]在本公开的上下文中，纳米结构铁电体可以被理解为具有沿该至少一个方向被限制为纳米级(例如，被限制为1μm或更小)的延伸。这种铁电体也可以被称为是纳米限制的。[0138]一个示例是薄层，其沿垂直于该层的方向被限制。[0139]图3a示出了衬底302上的铁电薄层300。由于纳米结构的几何形状，极化304优选地被定向为在铁电薄层300内(平面内)或垂直于该铁电薄层(平面外)。铁电薄层300的铁电材料以及提供其环境(例如，衬底302)的材料的选择提供了对极化304的取向的控制。[0140]铁电薄层300的铁电材料、提供其环境(例如，衬底)的材料以及生长条件的选择也被用于控制畴壁306的拓扑结构。通常，铁电薄层可以包括手性(例如，伊辛)畴壁和非手性畴壁(如在图2的上下文中描述的布洛赫畴壁)。[0141]对于包括各种类型的手性畴壁和非手性畴壁的层，手性可以被限定为螺旋度的符号其中，表示极化强度，并且积分是在纳米结构铁电体(例如，铁电薄层300)的体积上进行的。[0142]图3a描绘了在介电钛酸锶(srtio3)衬底302上以50nm的厚度沉积的钛酸铅(pbtio3)的铁电薄层300。晶格失配在铁电层300中引起应变。铁电薄层300发展出具有平面外取向的极化304。[0143]铁电薄层是使用脉冲激光沉积生长的，但也可以可替代地应用物理气相沉积技术、原子层沉积或分子束外延。生长条件的细节可以在以下文献中找到：das等人,“local negative permittivity and topological phase transition in polar skyrmions[极性斯格明子的局部负介电常数和拓扑相变]”,nat.mater.[自然材料]20,194(2021)。[0144]图3a的铁电层300的生长条件针对极化304被优化，以形成具有斯格明子308的手性极化状态。斯格明子可以被视为类似于上面在图2的上下文中描述的布洛赫畴壁200l、200r之一的布洛赫畴壁。[0145]但是，斯格明子308的曲率导致产生自闭合结构308。根据潜在布洛赫畴壁的手性，斯格明子308可以是左旋的或右旋的。图3a图示了具有逆时针旋转方向102r的斯格明子308，即，右旋斯格明子308。如图3a中描绘的斯格明子308的规则布置有时也被称为手性泡畴，或被称为圆柱形畴。[0146]图3b示出了多层结构312，该多层结构包含铁电薄层300a、300b、300c和顺电层302a、303b的交替序列。例如，多层结构可以由交替的铁电钛酸铅层和介电钛酸锶层形成，每层具有9nm至10nm的厚度，如以下文献中详细描述的：yadav等人,“observation of polar vortices in oxide superlattices[对氧化物超晶格中的极性涡旋的观察],”nature[自然]530,198(2016)。应用与在图3a的铁电薄层300的上下文中描述的相同的生长技术以形成铁电层。[0147]图3b的多层结构312包括三个铁电薄层300a、300b、300c和两个顺电层302a、302b，但这仅仅是示例，并且层数通常可以自由地适应于应用的要求。例如，对于光学应用，铁电层的数量可以增加到至少10或至少50或至少100，以生成具有增强的厚度和旋光性的多层结构312。相比而言，对于存储应用，可以使用单个铁电层以使极化材料的量最小化并且使切换速度最大化。[0148]多层结构312的铁电薄层300a、300b、300c的极化形成无芯涡旋314l、314r。铁电薄层300a、300b、300c中的每一个内的无芯涡旋314l、314r通常交替地以相反方向打旋。涡旋314l、314r的手性出现在这样的情况下：涡旋具有无芯结构，并且极化沿着涡旋轴线在第三空间方向上逸出，从而形成螺旋形手性纹理。虚线316将具有左旋涡旋314l的区域与具有右旋涡旋314r的区域分隔开。[0149]纳米结构铁电体的任何手性结构(比如布洛赫畴壁200l、200r、斯格明子308或涡旋314l、314r等)可以是右旋的或左旋的，并且与两种手性相关联的极化状态通常是能量简并的。因此，当将纳米结构铁电体从顺电高温状态冷却到铁电室温状态时，两种手性可能具有相等的形成概率。任一手型性的形成概率相等可以被理解为是两种状态的能量简并的直接结果。然而，当施加合适的外部刺激时，情况可能会改变，如现在将参考图4进一步详细描述的。[0150]图4描绘了作为纳米结构铁电体手性χ的函数的纳米结构铁电体极化状态的能量e。图4示出了高温顺电状态的势能景观402(虚线)、在没有外部刺激的情况下铁电状态的势能景观404、以及在存在两种不同的外部刺激的情况下铁电状态的势能景观404l、404r。[0151]当在没有外部刺激的情况下冷却至居里温度时，极化状态从顺电状态的势能面402转变到与左旋手性l和与右旋手性r相关联的铁电状态的势能面404的能量最小值的概率相同。然而，施加合适的刺激可以提升与两种手性l、r相关联的最小值的能量简并。铁电体可以变得优选一种手型性或手性。在图4中，这由存在外部刺激的情况下势能景观404l中的与左旋手性l相关联的最小值的更低能量反映。[0152]修改的外部刺激可以导致势能景观404r针对右旋手性r具有更低能量最小值。因此，如果铁电体在存在两种刺激中的任何一种的情况下从高温顺电状态402被冷却到低温铁电状态，则铁电体可以实现在势能面404l、404r的对应能量最小值处的状态具有限定手性l、r。[0153]刺激可以包括电磁辐射、电场、机械力、结构刺激或化学刺激。本公开的一方面涉及合适的刺激的设计以及用于施加该刺激的方法和装置的设计。[0154]图5图示了根据第一实施例的用于生成纳米结构铁电体的期望手性和切换其手性的光辅助方法和装置。根据图5的实施例，衬底302上的铁电薄层300的手性受到控制，该铁电薄层可以类似于图3a的衬底302上的铁电薄层300。然而，该方法也可以应用于其他纳米结构铁电体，例如应用于比如图3b的多层结构312的多层结构。[0155]装置包括与衬底302热接触的电阻加热器502。将供应电压施加至加热器502，加热器502、衬底302和铁电薄层300的温度升高，直到铁电层300的温度接近或超过其中包含的铁电材料的居里温度，例如，对于batio3为400℃或对于pbtio3为500℃。在加热时，铁电材料会经历从室温铁电相到高温顺电相的相变。[0156]此后，供应至加热器502的功率降低，并且铁电薄层300从高温顺电相冷却至远低于铁电薄层300中包含的铁电材料的居里温度的温度。从铁电薄层300的表面到环境的辐射热传递通常会为冷却提供足够的热传递。然而，对于较厚的层300和/或衬底302，衬底302可以耦接至比如珀尔帖元件等冷却设备，以更快地从铁电薄层300去除热量。[0157]在冷却至低于居里温度的温度时，顺电相可以变得不稳定，并且可以发生局部极化的对称性破坏，导致在铁电薄层300中局部形成剩余极化304。如图5和图3a中所描绘的，铁电薄层300可以实现具有平面外极化304的极化结构。为了使与平面外极化304相关联的能量最小化，可以另外形成围绕相反极化的小区域(芯)的斯格明子308。斯格明子308可以是右旋的或左旋的。如在图4的上下文中针对任意纳米结构铁电体所讨论的，任一手型性或手性的斯格明子308可以具有相等的能量，并且因此在没有外部刺激的情况下在冷却期间具有相等的形成概率。[0158]根据图5中所描绘的实施例，激光器504用具有圆极化508的光或近红外辐射506辐照铁电薄层300。激光器以这种方式提供外部刺激来打破具有左旋斯格明子和右旋斯格明子308的极化状态304之间的能量简并。分别取决于圆极化508的手型性、或者光或近红外辐射506的手性，具有左旋斯格明子308或具有右旋斯格明子308的极化状态成为全局能量最小值并在冷却期间形成。发射的光或近红外辐射506是在将铁电薄层300从高温顺电状态冷却至远低于居里温度的温度的同时施加的。随着纳米结构铁电体300的冷却，该纳米结构铁电体的极化状态可以实现势能面504l、504r的全局最小值具有左旋手性或右旋手性，其中手性经由光或近红外辐射506的螺旋度来控制。这样，可以以受控方式制备具有左旋斯格明子或右旋斯格明子308的极化状态。通过重复加热、施加具有选定螺旋度的光或近红外辐射506以及冷却的工艺步骤，可以重复地重写具有受控手性的极化状态。[0159]图5中描绘的实施例使用激光器504作为光或近红外辐射506的来源，更具体地是使用ti:蓝宝石放大器系统，该系统以1khz的重复率发射波长范围从700nm至1200nm的激光脉冲。发射的激光脉冲可以是二倍频的、三倍频的或四倍频的。激光脉冲也可以由使用掺杂光纤的激光放大器来提供。可以选择低于40mj cm-2至70mj cm-2的激发激光能量密度，以避免损坏纳米结构铁电体300。根据替代性实施例，可以施加从量子级联激光器发射的太赫兹辐射、从磁控管发射的微波辐射、或者从x射线管或同步加速器发射的x射线辐射。[0160]根据图5中所描绘的实施例，用于加热纳米结构铁电体300的能量主要由电阻加热器502提供。替代性地，激光器504或如上所述的替代性辐射源504可以提供用于加热的能量中的很大一部分，或甚至提供用于加热的全部能量并且可以省略电阻加热器。来自激光器或辐射源504的能量可以直接被纳米结构铁电体300吸收，或者可以被衬底吸收并随后通过衬底302朝向纳米结构铁电体300传输。[0161]图5的装置500包括充当探测光源的附加激光器510，该附加激光器发射探测光512。探测光512中的一部分从铁电薄层300的表面反射，而探测光512的另一部分透射穿过铁电薄层300并从衬底302反射，然后再次透射穿过铁电薄层300。可以使用充当旋光仪的可旋转偏光镜514与光电检测器(未示出)一起分析反射的和/或透射的探测光512的极化。反射和/或透射的探测光512的极化的测量可以准许监测纳米结构铁电体的极化、以及特别是手性。替代使用用于探测光源的附加激光器510，可以使用来自激光器504的光或近红外辐射506的一部分来监测极化状态。[0162]图6a图示了根据第二实施例的用于生成纳米结构铁电体的期望手性的方法和装置。该装置包括加热器502，该加热器可以类似于在图5的实施例的上下文中描述的加热器502。另外，在铁电薄层300的与衬底302相反的一侧上设置有对电极602。将供应功率施加至加热器502，铁电薄层300可以被加热至接近或高于铁电薄层300中所包含的铁电材料的居里温度的温度。在随后冷却铁电薄层300期间，在衬底302与对电极602之间施加电压u，以生成穿过铁电薄层300的电场604。电场604可以提升铁电薄层300的势能面404中的局部最小值之间的能量简并。电场604的幅度可以高达10kv/cm，或者取决于铁电材料以及其厚度，甚至高达100kv/cm。分别取决于电压u的符号或电场604的方向，可以生成具有针对铁电薄层的左旋手性l的全局最小值的势能面404l、或具有针对铁电薄层的右旋手性r的全局最小值的势能面404r。因此，在存在电场604的情况下冷却铁电薄层300可以制备具有受控手性(左旋手性或右旋手性)的斯格明子308的铁电层300。[0163]图6b图示了与图6a的实施例类似的实施例。然而，代替单个对电极，设置有顶部电极602和底部电极606。在顶部电极602与底部电极606之间施加电压u以生成电场604。这样，可以在没有导电衬底的情况下将电场604施加至纳米结构铁电体300a、300b、300c。[0164]图7a图示了根据第三实施例的用于生成纳米结构铁电体300的期望手性和切换其手性的方法和装置。该实施例类似于在图6a的上下文中描述的实施例。但是，使用导电原子力显微镜尖端602’作为对电极来实现强局部化电场604’。这可以提供两个优点：首先，由于电场604’的尖端增强，降低的电压u’就足以提供足够大的电场604’来可靠地控制铁电薄层300的极化状态304的手性。其次，电场604’在空间上被限制在纳米级，从而提供了将具有纳米大小尺寸的手性结构308写入铁电薄层300的可能性。这对于(光学)超材料的生成或对于存储应用特别有吸引力。[0165]图7b图示了类似于图7a的实施例的实施例，但不同之处在于，导电原子力显微镜尖端602”是手性的，并且因此产生手性电场604”。图7b的右旋手性电场604”进一步降低了铁电薄层300的斯格明子308的右旋手性极化状态的能量404r，并且因此在铁电薄层300被冷却至铁电相时支持右旋斯格明子308的形成。导电原子力显微镜尖端602”可以在用在扫描探针显微镜中之前，例如通过使尖端602’生长或刻蚀出整体手性形状或通过向初始非手性尖端602’施加扭矩来产生。替代性地，导电原子力显微镜尖端602”可以具有广泛的非手性形状，并且可以在最尖端例如通过在扫描探针显微镜的扫描过程中拾取比如手性碳纳米管等手性分子来吸附这些手性分子。可以在衬底302上的不同区域中设置左旋手性分子和右旋手性分子的储器，并且可以通过从对应的区域拾取手性分子来更改尖端604”的手性。[0166]图8示出了在衬底302上的承载斯格明子308的圆柱形纳米点800。斯格明子308可以被图示为弯曲且自闭合的畴壁306，如先前在图3a的上下文中描述的。图8的斯格明子308的旋转方向102r是右旋的。与薄铁电膜300中的铁电体相比，纳米点800中的铁电体沿与衬底302的表面、铁电薄膜300和/或纳米点800的表面平行的方向受到附加限制。附加限制可以改进对斯格明子308的形成、位置和旋转方向的控制，同时仍然可以经由环境、特别是经由衬底302的选择进行控制。[0167]纳米点800具有60nm的直径和30nm的高度。它可以通过在多孔阳极氧化铝支架上的钛酸锶上沉积铁酸铋来生产，如以下文献中详细描述的：li等人,“high-density array of ferroelectric nanodots with robust and reversibly switchable topological domain states[具有稳健且可逆的拓扑畴状态的铁电纳米点的高密度阵列],”sci.adv.[科学进展]3,e1700919(2017)。替代性地，纳米点800可以通过以下方式来生产：首先在平坦衬底上沉积铁电体的连续膜，随后使用光刻技术(例如，光刻法、电子束光刻、离子束光刻、x射线光刻)和刻蚀技术(例如，湿法刻蚀、离子束刻蚀、反应离子刻蚀)来构造连续膜。图8的纳米点800是圆柱形的，即，具有圆形基底的柱体。使用光刻制造技术，可以生产具有柱体形状和宽范围形状的基底的纳米点，从而提供根据特定应用的要求来优化纳米点800的形状和大小的选项。例如，基底可以是矩形且极细长的(纳米棒)、正方形的、三角形的或椭圆形的。根据本公开的用于生成纳米结构铁电体的期望手性的方法和装置适用于具有这些形状中的任何一种的纳米点。[0168]图9a和图9b示出了纳米粒子900a、900b。在本公开的上下文中，纳米点800的极化结构可以具有取决于畴壁306的存在的手性，而纳米粒子900a、900b的极化状态即使在没有畴壁的情况下也可以具有手性。[0169]图9a和图9b中所描绘的纳米粒子900a、900b是球形的，其直径为30nm。可以使用溶剂热法和水热法来制造纳米粒子。替代性地，可以使用溶胶-凝胶合成方法、过氧-草酸盐络合方法、非等温分解、或者通过这些技术的任何组合来生产纳米粒子900a、900b。可以经由铁电材料和制备条件的选择来调整大小和形状。例如，可以实现有小面的整体近似球形的形状、金字塔形形状、立方体形状、长方体形状、二十面体形状、或十二面体形状。纳米粒子还可以具有在纳米点800的上下文中描述的形状之一。[0170]图9a和图9b给出了具有展现出手性的极化状态304的纳米粒子900a、900b的两个示例。纳米粒子900a、900b的极化状态可以取决于制备条件和/或取决于利用比如外部电场等外部刺激的先前处理。可以调整制备条件和外部场处理，以实现例如涡旋状态、霍普夫子状态、或斯格明子状态。以下文献中给出了细节：luk’yanchuk等人,“hopfions emerge in ferroelectrics[霍普夫子出现在铁电体中],”nat.commun.[自然通讯]11,2433(2020)。[0171]图4、图5、图6a、图6b、图7a和图7b中描述的用于生成纳米结构铁电体的期望手性的方法和装置也可以应用于作为纳米结构铁电体的纳米点800和纳米粒子900a、900b以生成期望手性。与图10a、图10b、图11a、图11b、图12a和图12b相关的公开内容参考上述公开内容的对应部分，并且相似的部件将不再描述。将仅指出与纳米点800和纳米粒子900a、900b的特定应用相关的方法和装置的方面。[0172]图10a图示了用于生成纳米点800或纳米粒子900a、900b的期望手性和其切换其手性的光辅助方法和装置500’，其类似于在图5上下文中针对铁电薄膜描述的实施例。图10a中描绘了具有圆柱形形状的纳米点800，但是该方法可以应用于以上在图8、图9a和图9b的上下文中描述的纳米点800或纳米粒子900a、900b中的任何一者。[0173]图10b图示了与图10a的实施例类似的实施例。在该实施例中，纳米点800或纳米粒子900a、900b被嵌入固体基质或液体基质302’中，而不是被衬底302支撑。用固体基质或液体基质302’围绕纳米点800或纳米粒子900a、900b可以提供用于将热量从纳米点800或纳米粒子900a、900b传输出去并且因此高效地冷却它们的非常高效的路径。因此，可以选择形成固体基质或液体基质302’的材料，以提供优化的热导率。根据实施例，来自激光器504的光或近红外辐射506中的一部分可以被用于监测纳米点800或纳米粒子900a、900b的极化状态的旋光仪514。但是，也可以提供附加的探测光源，例如以沿垂直于光或近红外辐射506之一的方向辐照纳米点800或纳米粒子900a、900b。[0174]图11a和图11b图示了与图6b的实施例类似的实施例。顶部电极602和底部电极606被布置在纳米点800或纳米粒子900a、900b的相反侧。将在电极602、606之间施加电压u来生成电场604，该电场可以用作在冷却纳米点800或纳米粒子900a、900b的同时生成具有期望手性的极化状态的刺激。在图11b中，在顶部电极602与底部电极606之间施加的电压-u是与图11a中施加的电压u相比反向的，从而使得纳米点800或纳米粒子900a、900b的极化状态具有反向的手性。[0175]根据实施例，底部电极606是由导电衬底提供的。[0176]根据实施例，纳米点800或纳米粒子900a、900b可以通过浸涂或旋涂从悬浮液或溶液沉积在底部电极上。可以选择悬浮液或溶液中的纳米点800或纳米粒子900a、900b的浓度，以控制底部电极606上单位面积沉积的纳米点800或纳米粒子900a、900b的密度。特别地，如果应用需要，则可以选择浓度以实现足够低的密度，从而使电场604中具有单个纳米点800或纳米粒子900a、900b。其他应用可能需要场中有更大数量的纳米点800或纳米粒子900a、900b，这可以很容易通过应用具有高纳米点800或纳米粒子900a浓度的悬浮液或溶液来实现。顶部电极可以被沉积在所沉积的纳米点800或纳米粒子900a、900b之上。在沉积顶部电极之前，可以在纳米点800或纳米粒子900a、900b周围沉积基质、特别是介电基质，特别是以便为电磁辐射提供传播路径，从而加热纳米点800或纳米粒子900a、900b。基质可以针对高热导进行优化，以促进纳米点800或纳米粒子900a、900b的冷却。[0177]在替代性实施例中，电极602、606可以被布置在单个平面中，例如布置为表面上的指状结构。纳米点800或纳米粒子900a、900b可以从悬浮液或溶液被沉积在电极602、606之间。如上所述，可以经由悬浮液或溶液的浓度来控制所沉积的纳米点800或纳米粒子900a、900b的密度。电极602、606中的任一者或两者还可以用作电阻加热器以加热纳米点800或纳米粒子900a、900b。[0178]图12a示出了与图7a的实施例类似的实施例。使用尖端602’作为顶部电极，可以将电场604’选择性地施加至存在于衬底302上的多个纳米点800或纳米粒子900a、900b中的单个纳米点800或纳米粒子900a、900b。[0179]图12b示出了与图7b的实施例类似的实施例。使用手性尖端602”作为顶部电极，可以将电场604”选择性地施加至存在于衬底302上的多个纳米点800或纳米粒子900a、900b中的单个纳米点800或纳米粒子900a、900b。[0180]图13示出了使用来自纳米点800或纳米粒子900a、900b的系综(ensemble)1304的纳米点800或纳米粒子900a、900b的对映选择性传输的实施例。系综1304可以包含左旋纳米点或纳米粒子1304l和右旋纳米点或纳米粒子1304r。光学镊子1300由产生具有圆极化508的光或近红外辐射506的光源(未示出)以及用于紧密聚焦光或近红外辐射506的显微镜物镜1302构成。紧密聚焦可以生成光或近红外辐射506的梯度，从而产生在系综1304的纳米点800或纳米粒子900a、900b上的力。纳米点800或纳米粒子900a、900b上的力可以取决于纳米点800或纳米粒子900a、900b的手性，并且取决于光或近红外辐射506的圆极化508。可以选择圆极化508，以选择性地传输具有预先选择的手性的纳米点800或纳米粒子900a、900b。在图13所示的示例中，具有右旋圆极化508的光或近红外辐射506仅传输系综1304的具有右旋手性的那些纳米点800或纳米粒子1304r。[0181]在根据图13的实施例的方法中，光或近红外辐射506将纳米点800或纳米粒子900a、900b的系综1304加热至顺电状态。替代性地或另外，可以使用与衬底302热接触的电阻加热器502来加热系综1304。随后可以降低加热功率，并且可以使系综1304冷却下来。所选择的圆极化508可以决定所生成的纳米点800或纳米粒子900a、900b的极化状态的手性。当纳米点800或纳米粒子900a、900b已冷却至铁电状态并且已实现预先选择的手性时，可以应用对映选择性传输，以将预定手性的纳米点800或纳米粒子900a、900b移动到目标目的地，或去除相反手性的纳米点800或纳米粒子900a、900b。这样，可以进一步提高纳米点800或纳米粒子900a、900b的系综1304的手性的纯度。[0182]图14示出了使用来自纳米点800或纳米粒子900a、900b的系综1304的纳米点800或纳米粒子900a、900b的对映选择性传输的另一实施例。该实施例类似于图13的实施例。然而，代替光学镊子1300，应用等离激元镊子1400。因此，使用显微镜物镜1302将具有线性极化508’的光或近红外辐射506聚焦至导电衬底302上。线性极化的光或近红外辐射506可以在导电衬底302中引起等离激元激发，这可以对纳米点800或纳米粒子900a、900b的系综1304施加力。典型的等离激元阱刚度可以在0.1fn/(μm*mw)至1fn/(μm*mw)以及至5fn/(μm*mw)之间变化。对于左旋纳米点或纳米粒子1304l和右旋纳米点或纳米粒子1304r，纳米点800或纳米粒900a经受的力可以不同。因此，左旋纳米点或纳米粒子1304l和右旋纳米点或纳米粒子1304r可以被传输至表面302上的不同区域，并且由此可以被分离。[0183]本实施例的描述和附图仅用于说明本公开的技术及其相关联的优点，而不应当被解释为暗示任何限制。本公开的范围将根据所附权利要求来确定。