科学家成功让晶体中的“冤家”握手言和 | 科技前线

近日，中国科学技术大学科研团队在(SnSe)1.16(NbSe2)晶体中实现了铁电性、金属性和超导性的共存，并研制出首例室温工作的金属性铁电忆阻器。

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“撮合”矛盾

铁电性和金属性难以共存于同一材料中。铁电材料的电偶极子能够在外加电场下整齐排列并保持记忆，成为记忆电子元件的重要材料。金属材料内部有大量可自由移动的载流子，让金属具备极佳的导电和导热性能，是电线、芯片导线的理想选择。

然而，当材料内部试图形成铁电所需的电极化，金属的自由电子就会迅速移动，抵消产生的内部电场，使得偶极子无法稳定排列——这就是载流子的静电屏蔽效应。

一直以来，科学家尝试 “撮合” 铁电性和金属性这对 “冤家”。理论物理学家提出了 “解耦” 思路，尝试实现产生极性的单元和提供导电性的单元“各司其职”。

但在普通的三维块体晶格材料中，极性晶格和传导电子相互作用较强，实现这种 “解耦” 极为困难。

尽管科学家在少数材料中观察到极性相变与金属性共存的迹象，但这些材料普遍存在 “怕热”（居里温度远低于室温）、“不听话”（极化难以用电场调控）或铁电性不稳定等问题，制约了其实际应用。

因此，开发能在室温下同时具备高导电性和稳定铁电性的材料，成为该领域的目标。

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打破僵局

科研团队利用范德华层状材料体系，破解了上述难题。

团队像搭建 “三明治” 一样，将一层具有铁电性的硒化锡和一层具有金属性的二硒化铌，长程有序地交替堆叠，仅依靠层间微弱的电荷转移和范德华力实现结合，制备出新型超晶格晶体材料(SnSe)1.16(NbSe2)。这解决了金属中的自由电子会破坏铁电性的 “记忆” 能力的问题。

▲(SnSe) 1.16 (NbSe 2 )晶体的结构、金属和铁电特征

这种新材料在室温下能够保持优异性能：铁电转变温度高达383K（约110℃），远超室温；导电性出色，载流子浓度超过1021cm-3，表现出3.25K的超导特性。

更重要的是，该晶体在高载流子密度条件下，仍能保持稳定的铁电极化状态并可以实现电场方向的可逆切换，意味着它既能 “记住” 电场方向，又能让电流高效通过。

铁电性与金属性“握手言和” 的机制，与此前的 “解耦” 理论预言吻合。团队发现，这种超晶格晶体具有准二维的电子和声子性质。独特的弱耦合范德华层状超晶格，弱化了层间电子与声子的相互作用，化解了铁电性与金属性的矛盾，为其他类似功能材料的设计提供了新平台。

基于这一新材料，团队开发出可在室温下稳定工作的金属性铁电忆阻器。器件融合了金属低电阻和铁电可调控的优点，能够通过极化动力学调控金属通道电导，具备较低的工作电压和较强的输出信号能力，还凭借固有的低电阻减少了传输损耗，使综合功耗大幅降低。

经过多次循环测试验证，该器件能够保持稳定性，有望成为未来低功耗人工智能芯片、类脑计算等前沿技术的关键组成部分。

▲首例金属性铁电忆阻器

这项成果为开发下一代低能耗、高性能电子器件提供了新的材料选择，让科学家向制造更智能、更高效的电子设备迈出了坚实一步。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/24j9-8g8v

来源：中国科学技术大学

责任编辑：侯茜