北京
一种常见于日常用品的材料在微观尺度下发生惊人转变，获得一种可能重塑未来芯片的电学特性。
当一种普通材料被推至极薄的原子尺度时，会发生什么？一个研究团队用二氧化钛（TiO₂）检验了这个想法，而他们接下来的发现完全出人意料。
这种原本非铁电的材料，当其厚度降至3纳米以下时，竟变成了铁电体。
这一转变与材料内部的结构变化有关。随着TiO₂薄膜变薄，其晶格变得越来越扭曲，最终打破了结构的对称性，并产生了可翻转的电极化。
该铁电相可一直维持到仅1纳米厚，约为TiO₂晶胞尺寸的两倍。
这一点之所以重要，是因为铁电材料可在外部电场作用下反转其极化方向，并且能在相对较低的电压下工作，这使得它们在低功耗存储器和逻辑器件方面极具吸引力。
“一种介电材料在减薄至原子尺度时能够经历铁电相变，这一事实为一类全新材料中的相变物理和极性畸变研究开启了令人振奋的机会，”该研究的作者之一、加州大学伯克利分校教授萨伊夫·萨拉赫丁表示。
将二氧化钛压缩至原子尺度
通常，随着材料变薄，铁电性往往会消失；同时，将超薄铁电体集成到硅电子器件上至今依然充满挑战。
为了探索不同的解决方案，研究人员另辟蹊径。他们没有去压缩现有的铁电体，而是追问：一种原本非铁电的材料，在做得足够薄时，是否能够变成铁电体？
这一思路建立在团队2020年的成果之上——当时他们在直接生长于硅上的1纳米厚氧化铪薄膜中演示了铁电翻转。那个结果促使他们去寻找其他在原子级厚度下可能表现出有用铁电行为的材料。
他们选择了TiO₂，这是一种在半导体技术中广泛使用的介电材料，也常见于颜料和紫外线过滤剂等产品中。
“在块体形态下，二氧化钛是一种无处不在的介电材料，从防晒霜到催化剂，我们都在利用它有趣的光物理特性。而不寻常的科学现象发生在纳米尺度——此时它变成了铁电体，”该研究的作者之一、劳伦斯伯克利国家实验室的科学家阿尔查娜·拉贾说。
研究人员想知道，是否可以在不施加极端压力的情况下，通过减小厚度来引发类似的畸变。他们使用原子层沉积技术，在低于400°C的温度下制备了厚度从1纳米到10纳米的TiO₂薄膜。
这些薄膜既可以生长在硅上，也可以生长在包括二氧化硅和碳在内的非晶表面上。随着电子器件向纳米尺度逼近，研究人员正在探索低于4纳米的晶体管设计，这种超薄尺寸正变得愈发重要。
3纳米的临界点
决定性的变化出现在约3纳米以下。在伯克利实验室的先进光源，研究人员利用线偏振X射线探测了薄膜的电子结构。
较厚的样品在不同方向上对X射线的吸收相似，与其对称结构一致。然而，当厚度降至3纳米以下时，吸收变得与方向相关，显示出与极性畸变相伴的各向异性。
研究人员在分子铸造实验室使用二次谐波产生技术，确认了这种对称性破缺。当厚度低于3纳米时，二次谐波信号突然增强，为结构变化提供了另一个标志。
“我们直接测量到了晶体畸变，因为在结构转变过程中，原子确实发生了位移，”拉贾补充说。
他们还使用压电响应力显微镜、极化-电场测量以及正-上-负-下测量等方法测试了铁电响应。
这些电学测试支持了以下结论：结构畸变伴随着真正的铁电行为。
综合这些测量结果表明，超薄TiO₂从其正常的中心对称结构转变为一种扭曲的正交结构。晶格畸变随着薄膜变薄而加剧，且铁电相在仅1纳米厚度时仍然存在。
发现铁电体的新途径
这一发现为寻找用于低功耗存储器和逻辑器件的超薄材料提供了另一条路径。由于TiO₂早已为半导体制造领域所熟知，这一发现最终可能有助于实现更密集、更快、更低功耗的器件，而无需一个全新的制造流程。
研究人员还在探究用于低功耗计算的其他材料。
不过，这尚非一项成熟的电子技术。这项研究展示了在硅和非晶表面上形成了铁电相，但实际器件的开发还需要对翻转可靠性、耐久性和性能进行进一步的测试。
研究人员现在希望找到其他在缩减至极小尺寸时可能发展出有用特性的材料。他们更宏大的目标是构建一个此类材料的文库，并将它们与不同的器件架构相匹配。
该研究发表于《科学》杂志。
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