一維帶電疇壁新物態的發現 | 進展

鐵電疇壁往往展現出迥異于疇區的物理性質。基于此，劍橋大學J. F. Scott和加州大學R. Ramesh等人在《現代物理評論》（Review of Modern Physics）中提出 “疇壁即器件”（the wall is the device）。疇壁納米電子器件已經在非易失存儲和人工智能等領域展現出潛在應用前景。在三維鐵電晶體中，疇壁通常被認為是具有納米級厚度的二維結構，如何獲得具有極限尺寸的疇壁進而提高器件密度是該領域的關鍵科學問題。

螢石結構鐵電體的出現為解決這個問題帶來了新機遇。它們的三維晶體結構是由二維極性層和非極性層交替排列組成，鐵電極化被限制在二維極性層中。聲子平帶理論表明非極性層的存在解耦了相鄰極性層的相互作用，各極性層可獨立發生極性切換而保持穩定。據此推斷，在這些二維極性層中可能存在受維度限制且可獨立運動的帶電疇壁，然而相關研究極具挑戰尚屬空白。

近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心楊國楨院士、金奎娟院士、葛琛研究員課題組與張慶華副研究員等合作者通過激光法創制了自支撐螢石結構鐵電薄膜，實驗觀測了氧化鋯鐵電體中的頭對頭和尾對尾型一維帶電疇壁新物態，揭示了這些疇壁亞單胞級的極限尺寸（~ 2.55 ? × 2.71 ?）以及獨特的自平衡氧占據的電荷屏蔽機制，實現了局部電場對一維帶電疇壁的人工操控，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。該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，為開發具有極限密度的人工智能納電子器件提供了科學基礎。

圖：鐵電ZrO?中的一維帶電疇壁。鐵電ZrO?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。

相關研究成果以“Observation of one-dimensional charged domain walls in ferroelectric ZrO?”為題發表于《Science》。物理所博士后/現魯東大學副教授鐘海和物理所博士生王詩雨為論文的共同第一作者，物理所張慶華副研究員、金奎娟院士和葛琛研究員為共同通訊作者，合作者還包括清華大學谷林教授、物理所金士鋒研究員等。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院青年創新促進會、山東省自然科學基金和山東省高等學校青創團隊等項目的資助。

編輯：丁香葉子