存儲密度或將指數級提升！我國科學家發現一維帶電疇壁

讓電子設備存儲密度更高、功耗更低，一直是科技研發的核心追求，而鐵電材料正是實現這一目標的關鍵候選者。鐵電材料就像自帶“電極性”的微小元件，內部正負電荷中心會自發分離形成固定極化方向，且該方向能被外部電場輕松反轉，這一特性讓它在信息存儲、人工智能器件中極具應用價值。

近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心金奎娟院士、葛琛研究員、張慶華副研究員聯合團隊，在這一領域取得重要突破，相關成果1月23日發表于《科學》，顛覆了學界對鐵電材料內部結構的傳統認知。

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）

要理解這項突破的意義，還得從鐵電材料的內部構造說起。它的內部存在一個個“極化區域”，學界稱“鐵電疇”，就像分色塊的魔方，每個色塊是鐵電疇，不同色塊的交界就是“疇壁”，長期以來科學家都認為，三維鐵電晶體中的疇壁必然是二維平面。

基于這一認知，研究人員一直試圖通過調控二維疇壁優化器件性能，但隨著存儲密度和算力需求飆升，構筑極限尺寸的疇壁新物態成為亟待破解的難題。此時螢石結構鐵電材料帶來了轉機：它的三維晶體由極性與非極性晶格層交替排列，鐵電極化被限制在獨立極性層中，原本的三維鐵疇“魔方”變成了分離的二維“拼圖”。這一特殊結構讓科研人員大膽猜想：這里是否存在一維帶電疇壁？其穩定機制又是什么？

螢石結構鐵電材料ZrO2中的一維帶電疇壁示意圖。鐵電ZrO2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

要找到這個隱藏在鐵電“魔方”中的一維奧秘，并非易事。研究團隊從2018年就開始了螢石結構鐵電材料的探索。由于這類材料本征的多晶多相性，常規方法難以獲得理想的單晶薄膜。為此，團隊創新采用激光分子束外延方法，生長出僅十個晶胞層厚度（約5納米）的螢石結構鐵電薄膜，再通過化學手段讓薄膜脫離襯底，成功創制出可用于新物態研究的自支撐螢石鐵電薄膜平臺。

有了合適的“研究樣本”，精準觀測成為下一步關鍵。團隊與合作者利用先進的電子顯微學技術，實現了對氧原子等輕元素原子的精確定量表征，相當于看清了薄膜中每一個原子的具體位置。正是這種原子尺度的觀測，讓一維帶電疇壁的真面目浮出水面：這些疇壁被約束在極性晶格層中，厚度和寬度均達到埃級尺寸，也就是人類頭發直徑的數十萬分之一。而疇壁處過量的氧離子或氧空位，就像特殊的“膠水”，讓這些帶電疇壁得以穩定存在。

更令人振奮的是，研究團隊還實現了對這些一維帶電疇壁的人工操控。他們利用電子輻照產生的局部電場，成功演示了疇壁的產生、運動和擦除。這意味著，未來有望通過精準調控這些微觀“導線”，構建出性能更優越的微觀電路。

從科學意義上看，這項研究補全了鐵電物理的一塊重要拼圖。它打破了三維晶體中疇壁必為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的內在耦合關系，為鐵電物理研究開辟了新方向。

在應用層面，其潛力同樣值得期待。當前商用的非易失存儲器件，信息記錄單元多為10納米量級的“面”，即使是常規鐵電疇壁存儲器，記錄單元也是納米級的“線”。而這項研究中的一維帶電疇壁，從投影視角看是長寬均約0.25納米的“點”。這種從面到線再到點的轉變，意味著存儲密度將實現指數級提升——理論上每平方厘米可存儲約20TB數據，相當于把1萬部高清電影或20萬段高清短視頻裝進一張郵票大小的設備中。

據介紹，這些一維帶電疇壁在三年前制備的樣品中仍穩定存在，且無需機械部件，對結構應變不敏感，具備良好的穩定性和抗物理沖擊能力。未來，團隊將進一步研究如何提升其響應速度，推動相關技術走向實際應用。（光明網記者宋雅娟）

來源： 光明網