中新網(wǎng)北京1月23日電 (記者 孫自法)在當(dāng)今物質(zhì)科學(xué)和信息技術(shù)交叉融合前沿的鐵電材料與疇壁研究領(lǐng)域，中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)最新研究發(fā)現(xiàn)一維帶電疇壁新結(jié)構(gòu)，補(bǔ)全了鐵電物理的一塊拼圖，這不僅顛覆了人們對(duì)于疇壁結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)認(rèn)知，也為開(kāi)發(fā)具有極限密度的人工智能器件奠定重要科學(xué)基礎(chǔ)。

　　這項(xiàng)物理學(xué)基礎(chǔ)前沿的重要研究突破，由中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心金奎娟院士、葛琛研究員、張慶華副研究員聯(lián)合團(tuán)隊(duì)共同完成，他們通過(guò)激光法成功創(chuàng)制自支撐螢石結(jié)構(gòu)鐵電薄膜，并利用先進(jìn)的電子顯微鏡技術(shù)對(duì)薄膜中的一維帶電疇壁進(jìn)行原子尺度的觀測(cè)和調(diào)控。北京時(shí)間1月23日凌晨，相關(guān)成果論文在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)上線發(fā)表。

　　何為鐵電材料

　　研究團(tuán)隊(duì)介紹說(shuō)，在物質(zhì)世界中存在一類特殊的晶體材料，其內(nèi)部由許多微小的“電學(xué)指南針”組成，它們不是指向南北，而是指示正負(fù)電荷中心分離的方向，即自發(fā)極化的方向。物理學(xué)家稱這種即使沒(méi)有外部電場(chǎng)也自發(fā)地存在正負(fù)電荷分離且規(guī)則排列的材料為鐵電材料。

　　像指南針能夠吸引鐵質(zhì)金屬一樣，鐵電材料中的這些“電學(xué)指南針”也能夠吸引附近物質(zhì)中的電荷?；谒鼈兊倪@一特性，鐵電材料在信息存儲(chǔ)、傳感、人工智能等領(lǐng)域都具有巨大的應(yīng)用潛力。

　　出于降低系統(tǒng)能量的需求，鐵電材料中的“電學(xué)指南針”并非全部指向同一極化方向，而是分成了極化方向一致的“鐵電疇”和分隔不同鐵電疇的“疇壁”。一塊鐵電材料就像一個(gè)魔方，當(dāng)所有小方塊顏色相同時(shí)魔方便是無(wú)疇壁的單一鐵電疇；當(dāng)不同顏色的小方塊(即不同極化取向的鐵電疇)組合在一起時(shí)它們的界面就是疇壁。

　　如果兩個(gè)鐵電疇的同一極拼在一起，它們之間的疇壁便會(huì)由于電荷聚集而難以穩(wěn)定，需要一些特殊的“膠水”(即電荷補(bǔ)償機(jī)制)將它們“粘”在一起。而也正是由于這些特殊“膠水”的存在，使得帶電疇壁通常具有迥異于鐵電疇的物理特性?？茖W(xué)家們據(jù)此提出疇壁納米電子學(xué)，希望基于疇壁工程來(lái)大幅提升器件性能。

　　研究有何創(chuàng)新

　　研究團(tuán)隊(duì)指出，他們從2018年便開(kāi)始螢石結(jié)構(gòu)鐵電材料的研究，進(jìn)行材料制備上的創(chuàng)新。

　　研究過(guò)程中，利用激光分子束外延方法在基底上生長(zhǎng)了僅十個(gè)晶胞層厚度、約5納米的螢石結(jié)構(gòu)鐵電薄膜，結(jié)合電子顯微技術(shù)能夠在幾十納米區(qū)域內(nèi)構(gòu)建出理想的模型物理體系，由此創(chuàng)制的自支撐螢石鐵電薄膜，成為開(kāi)展新結(jié)構(gòu)研究的良好材料平臺(tái)。

　　隨后，研究團(tuán)隊(duì)與合作者利用當(dāng)前先進(jìn)的電子顯微學(xué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)納米薄膜晶體結(jié)構(gòu)的全方位原子級(jí)觀察，基本知曉了薄膜中每一個(gè)原子的具體位置。

　　正是這些新材料和新方法，使研究團(tuán)隊(duì)能夠發(fā)現(xiàn)一維帶電疇壁這種新結(jié)構(gòu)。

　　本項(xiàng)研究創(chuàng)新點(diǎn)是通過(guò)維度限制設(shè)計(jì)思路，在三維晶體里尋找到一維帶電疇壁新結(jié)構(gòu)，其意義主要體現(xiàn)為兩個(gè)層面：

　　科學(xué)層面，研究結(jié)果打破了人們對(duì)于三維晶體中疇壁為本征二維結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)認(rèn)知，闡明了螢石鐵電體中極化切換與氧離子傳輸之間的內(nèi)在耦合關(guān)系。

　　應(yīng)用層面，埃級(jí)尺寸(約為人類頭發(fā)直徑的數(shù)十萬(wàn)分之一)的疇壁單元預(yù)期能極大地提升信息存儲(chǔ)密度，通過(guò)在半個(gè)單胞內(nèi)控制一維疇壁的寫入、驅(qū)動(dòng)和擦除，能實(shí)現(xiàn)模擬計(jì)算，為極限密度人工智能器件開(kāi)發(fā)提供了科學(xué)基礎(chǔ)。

　　如何轉(zhuǎn)化應(yīng)用

　　鐵電材料與疇壁研究的核心在于通過(guò)對(duì)材料內(nèi)部極化“開(kāi)關(guān)”(鐵電疇)及其邊界(疇壁)的精確調(diào)控，來(lái)創(chuàng)造新一代高性能器件，以應(yīng)對(duì)信息存儲(chǔ)、人工智能、高端裝備與前沿科技競(jìng)爭(zhēng)等多方面的國(guó)家戰(zhàn)略需求，尤其是鐵電疇壁研究對(duì)人工智能硬件的革新潛力巨大。

　　研究團(tuán)隊(duì)表示，利用具有靈活電場(chǎng)可調(diào)性的疇壁單元，可在同一物理器件中實(shí)現(xiàn)高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與類腦計(jì)算功能，為開(kāi)發(fā)下一代高性能、低功耗的人工智能芯片提供核心材料解決方案。該方向前沿之一是如何構(gòu)筑出極限尺寸的疇壁新結(jié)構(gòu)，從而大幅提升器件存儲(chǔ)密度和算力。

　　利用一維帶電疇壁進(jìn)行信息存儲(chǔ)，預(yù)計(jì)將比當(dāng)前的存儲(chǔ)密度提高約幾百倍——理論上可達(dá)每平方厘米約20太字節(jié)(TB)，相當(dāng)于將1萬(wàn)部高清電影或20萬(wàn)段高清短視頻存儲(chǔ)在一張郵票大小的設(shè)備中。

　　同時(shí)，基于一維疇壁的人造神經(jīng)突觸不但將大幅提高器件密度，而且預(yù)計(jì)還將具有低功耗和易操控等優(yōu)點(diǎn)。研究團(tuán)隊(duì)3年前制備的實(shí)驗(yàn)樣品中仍能觀察到疇壁穩(wěn)定存在，這表明一維疇壁具有良好的穩(wěn)定性。(完)