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
特別聲明:以上內(nèi)容(如有圖片或視頻亦包括在內(nèi))為自媒體平臺“網(wǎng)易號”用戶上傳并發(fā)布,本平臺僅提供信息存儲服務(wù)。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.