科學(xué)家成功讓晶體中的“冤家”握手言和 | 科技前線

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團隊在(SnSe)1.16(NbSe2)晶體中實現(xiàn)了鐵電性、金屬性和超導(dǎo)性的共存，并研制出首例室溫工作的金屬性鐵電憶阻器。

01

“撮合”矛盾

鐵電性和金屬性難以共存于同一材料中。鐵電材料的電偶極子能夠在外加電場下整齊排列并保持記憶，成為記憶電子元件的重要材料。金屬材料內(nèi)部有大量可自由移動的載流子，讓金屬具備極佳的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，是電線、芯片導(dǎo)線的理想選擇。

然而，當(dāng)材料內(nèi)部試圖形成鐵電所需的電極化，金屬的自由電子就會迅速移動，抵消產(chǎn)生的內(nèi)部電場，使得偶極子無法穩(wěn)定排列——這就是載流子的靜電屏蔽效應(yīng)。

一直以來，科學(xué)家嘗試 “撮合” 鐵電性和金屬性這對 “冤家”。理論物理學(xué)家提出了 “解耦” 思路，嘗試實現(xiàn)產(chǎn)生極性的單元和提供導(dǎo)電性的單元“各司其職”。

但在普通的三維塊體晶格材料中，極性晶格和傳導(dǎo)電子相互作用較強，實現(xiàn)這種 “解耦” 極為困難。

盡管科學(xué)家在少數(shù)材料中觀察到極性相變與金屬性共存的跡象，但這些材料普遍存在 “怕熱”（居里溫度遠低于室溫）、“不聽話”（極化難以用電場調(diào)控）或鐵電性不穩(wěn)定等問題，制約了其實際應(yīng)用。

因此，開發(fā)能在室溫下同時具備高導(dǎo)電性和穩(wěn)定鐵電性的材料，成為該領(lǐng)域的目標(biāo)。

02

打破僵局

科研團隊利用范德華層狀材料體系，破解了上述難題。

團隊像搭建 “三明治” 一樣，將一層具有鐵電性的硒化錫和一層具有金屬性的二硒化鈮，長程有序地交替堆疊，僅依靠層間微弱的電荷轉(zhuǎn)移和范德華力實現(xiàn)結(jié)合，制備出新型超晶格晶體材料(SnSe)1.16(NbSe2)。這解決了金屬中的自由電子會破壞鐵電性的 “記憶” 能力的問題。

▲(SnSe) 1.16 (NbSe 2 )晶體的結(jié)構(gòu)、金屬和鐵電特征

這種新材料在室溫下能夠保持優(yōu)異性能：鐵電轉(zhuǎn)變溫度高達383K（約110℃），遠超室溫；導(dǎo)電性出色，載流子濃度超過1021cm-3，表現(xiàn)出3.25K的超導(dǎo)特性。

更重要的是，該晶體在高載流子密度條件下，仍能保持穩(wěn)定的鐵電極化狀態(tài)并可以實現(xiàn)電場方向的可逆切換，意味著它既能 “記住” 電場方向，又能讓電流高效通過。

鐵電性與金屬性“握手言和” 的機制，與此前的 “解耦” 理論預(yù)言吻合。團隊發(fā)現(xiàn)，這種超晶格晶體具有準(zhǔn)二維的電子和聲子性質(zhì)。獨特的弱耦合范德華層狀超晶格，弱化了層間電子與聲子的相互作用，化解了鐵電性與金屬性的矛盾，為其他類似功能材料的設(shè)計提供了新平臺。

基于這一新材料，團隊開發(fā)出可在室溫下穩(wěn)定工作的金屬性鐵電憶阻器。器件融合了金屬低電阻和鐵電可調(diào)控的優(yōu)點，能夠通過極化動力學(xué)調(diào)控金屬通道電導(dǎo)，具備較低的工作電壓和較強的輸出信號能力，還憑借固有的低電阻減少了傳輸損耗，使綜合功耗大幅降低。

經(jīng)過多次循環(huán)測試驗證，該器件能夠保持穩(wěn)定性，有望成為未來低功耗人工智能芯片、類腦計算等前沿技術(shù)的關(guān)鍵組成部分。

▲首例金屬性鐵電憶阻器

這項成果為開發(fā)下一代低能耗、高性能電子器件提供了新的材料選擇，讓科學(xué)家向制造更智能、更高效的電子設(shè)備邁出了堅實一步。

論文鏈接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/24j9-8g8v

來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

責(zé)任編輯：侯茜