《Science》：極限密度！我國新成果有望讓器件“存得更多 占得更少”

記者從中國科學院物理研究所獲悉，該所研究團隊通過激光法創制了自支撐螢石結構鐵電薄膜，并利用先進的電子顯微鏡技術對薄膜中的一維帶電疇壁（晶體結構）進行了原子尺度的觀測和調控。相關成果在國際學術期刊《科學》發表。

每個小方塊類比原子晶格，方塊的顏色類比極化狀態，相同顏色的小方塊組成了疇，不同疇之間的界面即為疇壁（綠色部分）。

在物質世界中存在一類特殊的晶體材料，它的內部由許多微小的“電學指南針”組成，這些“指南針”不是指向南北，而是指示正負電荷中心分離的方向，即自發極化的方向。我們稱這種即使沒有外部電場也自發地存在正負電荷分離且規則排列的材料為鐵電材料，它們的極化方向可以通過施加外部電場來反轉。像指南針能夠吸引鐵質金屬一樣，鐵電材料中的這些“電學指南針”也能夠吸引附近物質中的電荷。基于它們的這一特性，鐵電材料在信息存儲、傳感、人工智能等領域都具有巨大的應用潛力。

出于降低系統能量的需求，鐵電材料中的 “指南針”并非全部指向同一極化方向，而是分成了極化方向一致的 “鐵電疇”和分隔不同鐵電疇的“疇壁”。一塊鐵電材料就像一個魔方，當所有小方塊顏色相同時魔方便是無疇壁的單一鐵電疇；當不同顏色的小方塊（即不同極化取向的鐵電疇）組合在一起時它們的界面就是疇壁。如果兩個鐵電疇的同一極拼在一起，它們之間的疇壁便會由于電荷聚集而難以穩定，需要一些特殊的“膠水”（即電荷補償機制）將它們“粘”在一起。而也正是由于這些特殊“膠水”的存在，使得帶電疇壁通常具有迥異于鐵電疇的物理特性。同時，由于疇壁被用來分隔不同的鐵電疇，人們通常認為在三維的鐵電晶體中疇壁必然是二維的面，具有遠小于疇的尺寸。科學家們據此提出了疇壁納米電子學，希望基于疇壁工程來大幅提升器件性能。

螢石結構鐵電材料ZrO2（二氧化鋯）中的一維帶電疇壁示意圖

那么自然界是否有合適的材料去構建超小型鐵電疇壁從而提升存儲密度呢？螢石結構鐵電材料的出現帶來了新機遇，它的三維晶體結構是由極性晶格層和非極性晶格層交替排列組成。鐵電極化被限制在分離的極性晶格層中，而且各極性晶格層幾乎是完全獨立的，因此原本的三維鐵疇“魔方”變成了分離的二維鐵疇“拼圖”。據此，在這種材料中可能存在一維的帶電疇壁結構。如果存在的話，是怎樣的物理機制充當“膠水”來穩定了這些帶電疇壁呢？我們又能否人為操控這些疇壁的產生、運動和擦除呢？

科研團隊發現這些帶電疇壁被約束在極性晶格層中，厚度和寬度均具有埃級尺寸（約為人類頭發直徑的數十萬分之一），疇壁處過量的氧離子或氧空位充當了黏結的“膠水”穩定了這些帶電的疇壁。研究團隊利用電子輻照產生的局部電場演示了對這些一維帶電疇壁的人工操控。這一研究成果顛覆了人們對于疇壁結構的傳統認知，并為開發具有極限密度的人工智能器件提供了科學基礎。

本文來自極光新聞。

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