中国科学院物理研究所发现一维带电畴壁 为超高密度人工智能芯片奠定科学基础

问题:面向高密度信息存储与类脑计算等新型应用,铁电材料因具备可翻转自发极化而被视为重要候选。

然而长期以来,学界对铁电畴与畴壁的理解大多建立在“三维晶体—二维畴壁”的框架之上:畴壁被视为分隔不同极化畴的二维界面,其尺度远小于畴本体。

若要进一步提升器件集成度与开关能耗表现,能否在材料中构筑更“极限尺寸”的畴壁结构,成为畴壁纳米电子学发展的关键科学问题之一。

原因:带电畴壁的出现往往伴随电荷积累,能量代价高、稳定性差,需要有效的电荷补偿机制加以“中和”。

在常规铁电体系中,这类补偿难以稳定维持在更低维度,从而限制了畴壁结构的进一步微型化。

此次研究聚焦萤石结构铁电材料。

该类材料的晶体由极性与非极性晶格层交替堆垛,自发极化被限制在分离的极性层内,不同极性层之间相互耦合较弱,使原本连续三维的畴结构呈现“层内主导、层间近独立”的特征。

结构上的“分层化”,为在极性层内形成更低维度的畴壁提供了可能。

研究团队为突破材料体系多晶多相带来的制备瓶颈,采用激光分子束外延在基底上生长约十个晶胞层厚度的萤石结构铁电薄膜,并通过化学方式削弱薄膜与衬底的连接,实现薄膜脱离与转移,获得自支撑样品。

自支撑形态不仅为电子显微表征提供了更理想的几何条件,也使研究能够在局域几十纳米范围内构建更接近“模型体系”的结构环境。

随后,团队结合先进电子显微学手段,对包含轻元素氧在内的原子分布进行精确定量表征,最终在原子尺度上捕捉到一维带电畴壁的存在与结构特征。

影响:该研究表明,一维带电畴壁被约束在极性晶格层中,其厚度与宽度均达到埃级尺度,显著突破了“畴壁必为二维界面”的传统图景。

更重要的是,研究揭示畴壁处存在过量氧离子或氧空位等缺陷,它们提供电荷补偿并形成稳定机制,相当于在原子层面提供“黏结”作用,使本应能量代价较高的带电畴壁得以长期稳定。

与此同时,团队利用电子辐照引发的局部电场效应,演示了对这类一维带电畴壁的人工操控路径。

上述发现不仅丰富了铁电体系中缺陷—极化—畴壁相互作用的认识,也为在更小尺度上实现可写、可擦、可读的电学功能单元提供了新的结构载体。

对策:从推动基础发现走向工程验证的角度看,一维带电畴壁的可用性取决于“可控生成、可重复操控、可稳定集成”三方面能力。

其一,围绕氧离子、氧空位等缺陷的形成能与迁移行为,需要建立更精细的制备窗口与后处理策略,实现缺陷浓度与空间分布的可预测调控;其二,应在电学与热学环境下系统评估畴壁的稳定性、循环寿命与抗扰动能力,明确其在器件工作条件下的可靠边界;其三,需将高分辨结构表征与宏观电输运、开关动力学测量相结合,建立畴壁结构参数与功能响应之间的定量关联,为器件设计提供可工程化的指标体系。

前景:随着新型存储与计算架构向高密度、低功耗、可重构方向演进,铁电材料的“极化可翻转”优势正在与纳米尺度结构调控需求加速汇合。

一维带电畴壁在埃级横向尺度上的实现,为探索“以畴壁为信息载体”的更高密度方案打开了空间,也为研究低维缺陷与极化耦合带来的新奇输运、局域相变等现象提供了新的实验平台。

尤其是在自支撑薄膜这一可转移、可组合的平台基础上,未来有望进一步拓展多物理场耦合调控手段,推动从“观察新结构”迈向“利用新结构”。

这项源自基础研究的重大突破,再次印证了"从0到1"原始创新的战略价值。

在全球纳米科技竞争日趋激烈的背景下,我国科学家通过多学科交叉融合攻克关键技术瓶颈,不仅丰富了凝聚态物理的理论体系,更在新型功能材料这一战略领域赢得了发展先机。

正如科学史所昭示的,每一次对物质微观世界认知的突破,终将转化为推动人类文明进步的现实力量。