鐵電“魔方”：研究人員發現一維帶電疇壁 | 科技前線

近日，中國科學院物理研究所團隊通過激光法，創制了自支撐螢石結構鐵電薄膜，并利用電子顯微鏡技術對薄膜中的一維帶電疇壁進行了原子尺度的觀測和操控。

01

材料內的“指南針”

物質世界存在一類特殊的晶體材料——鐵電材料。其內部由許多微小的電學“指南針”組成，這些“指南針”不指示南北，而指示正負電荷中心分離的方向，即自發極化的方向。

即使沒有外部電場，鐵電材料依舊能自發形成正負電荷分離且規則排列的極化狀態，同時其極化方向可借助施加外部電場來反轉。與指南針能夠吸引鐵質金屬一樣，鐵電材料中的電學“指南針”也能夠吸引附近物質中的電荷，因此，鐵電材料在信息存儲、傳感、人工智能等領域展現出應用潛力。

02

鐵電材料的“魔方”模型

在鐵電材料中，出于降低系統能量的需求，電學“指南針”并非全部同向排列，而是形成極化方向一致的鐵電疇和分隔不同鐵電疇的疇壁。

這種結構就像一個魔方：當所有小方塊顏色相同時，材料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，其界面就是疇壁。當兩個鐵電疇的同一極拼在一起，疇壁因電荷聚集而不穩定，需要特殊的“膠水”即電荷補償機制將它們“粘”在一起，使得帶電疇壁具有迥異于鐵電疇的物理特性。

同時，疇壁在三維鐵電晶體中用于分隔不同的鐵電疇，通常被認為是二維面結構， 其尺寸遠小于疇且具有與疇不同的物理性質 ?？茖W家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。

▲鐵電“魔方”示意圖。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（綠色高亮顯示）

03

自然中的理想平臺

自然中，螢石結構鐵電材料為構建超小型鐵電疇壁提供了平臺，其三維晶體結構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，且各極性晶格層幾乎是完全獨立的，使得三維鐵疇“魔方”變成分離的二維鐵疇“拼圖”，從而可能存在一維的帶電疇壁結構。

如果一維帶電疇壁存在，是怎樣的物理機制充當“膠水”來穩定這些帶電疇壁？能否人為操控這些疇壁的產生、運動和擦除？

研究團隊利用激光分子束外延方法，在基底上生長了僅十個晶胞層厚度的螢石結構鐵電薄膜，通過化學手段破壞薄膜與襯底的連接使它們能夠從襯底上脫離并轉移，結合電子顯微技術在幾十納米區域內構建出理想的模型物理體系——自支撐螢石鐵電薄膜，為開展新物態研究提供了良好的材料平臺。

▲螢石結構鐵電材料ZrO 2 中的一維帶電疇壁示意圖。鐵電ZrO 2 結構的卡通示意圖以及限制在二維極性層內的“頭對頭”和“尾對尾”型帶電疇壁的原子模型

04

氧離子"膠水"與操控

團隊進一步利用電子顯微鏡技術，對薄膜中的一維帶電疇壁進行了原子尺度的觀測和操控。科研人員實現了對這些納米薄膜晶體結構的全方位原子級觀察，基本知曉了薄膜中每一個原子的具體位置，從而發現了一維帶電疇壁這種新物態。

研究發現，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。疇壁處過量的氧離子或氧空位充當了黏結的“膠水”，從而穩定了這些帶電的疇壁。研究同時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。

這一工作打破了人們對于三維晶體中疇壁為本征二維結構的傳統認知，闡明了螢石鐵電體中極化切換與氧離子傳輸之間的內在耦合關系。

同時，埃級尺寸的疇壁單元預期將大幅提升信息存儲密度，通過在半個單胞內控制一維疇壁的寫入、驅動和擦除，能夠實現模擬計算，為開發具有極限密度的人工智能器件載體奠定了科學基礎。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb7280

來源：中國科學院物理研究所

責任編輯：侯茜