极限密度！我国新成果有望让器件“存得更多 占得更少”

记者从中国科学院物理研究所获悉，该所研究团队通过激光法创制了自支撑萤石结构铁电薄膜，并利用先进的电子显微镜技术对薄膜中的一维带电畴壁（晶体结构）进行了原子尺度的观测和调控。相关成果1月23日在国际学术期刊《科学》发表。

△每个小方块类比原子晶格，方块的颜色类比极化状态，相同颜色的小方块组成了畴，不同畴之间的界面即为畴壁（绿色部分）。

在物质世界中存在一类特殊的晶体材料，它的内部由许多微小的“电学指南针”组成，这些“指南针”不是指向南北，而是指示正负电荷中心分离的方向，即自发极化的方向。我们称这种即使没有外部电场也自发地存在正负电荷分离且规则排列的材料为铁电材料，它们的极化方向可以通过施加外部电场来反转。像指南针能够吸引铁质金属一样，铁电材料中的这些“电学指南针”也能够吸引附近物质中的电荷。基于它们的这一特性，铁电材料在信息存储、传感、人工智能等领域都具有巨大的应用潜力。

出于降低系统能量的需求，铁电材料中的 “指南针”并非全部指向同一极化方向，而是分成了极化方向一致的 “铁电畴”和分隔不同铁电畴的“畴壁”。一块铁电材料就像一个魔方，当所有小方块颜色相同时魔方便是无畴壁的单一铁电畴；当不同颜色的小方块（即不同极化取向的铁电畴）组合在一起时它们的界面就是畴壁。如果两个铁电畴的同一极拼在一起，它们之间的畴壁便会由于电荷聚集而难以稳定，需要一些特殊的“胶水”（即电荷补偿机制）将它们“粘”在一起。而也正是由于这些特殊“胶水”的存在，使得带电畴壁通常具有迥异于铁电畴的物理特性。同时，由于畴壁被用来分隔不同的铁电畴，人们通常认为在三维的铁电晶体中畴壁必然是二维的面，具有远小于畴的尺寸。科学家们据此提出了畴壁纳米电子学，希望基于畴壁工程来大幅提升器件性能。

△萤石结构铁电材料ZrO2（二氧化锆）中的一维带电畴壁示意图

那么自然界是否有合适的材料去构建超小型铁电畴壁从而提升存储密度呢？萤石结构铁电材料的出现带来了新机遇，它的三维晶体结构是由极性晶格层和非极性晶格层交替排列组成。铁电极化被限制在分离的极性晶格层中，而且各极性晶格层几乎是完全独立的，因此原本的三维铁畴“魔方”变成了分离的二维铁畴“拼图”。据此，在这种材料中可能存在一维的带电畴壁结构。如果存在的话，是怎样的物理机制充当“胶水”来稳定了这些带电畴壁呢？我们又能否人为操控这些畴壁的产生、运动和擦除呢？

科研团队发现这些带电畴壁被约束在极性晶格层中，厚度和宽度均具有埃级尺寸（约为人类头发直径的数十万分之一），畴壁处过量的氧离子或氧空位充当了黏结的“胶水”稳定了这些带电的畴壁。研究团队利用电子辐照产生的局部电场演示了对这些一维带电畴壁的人工操控。这一研究成果颠覆了人们对于畴壁结构的传统认知，并为开发具有极限密度的人工智能器件提供了科学基础。

（总台央视记者 帅俊全 褚尔嘉）