我國(guó)發(fā)現(xiàn)一維帶電晶體結(jié)構(gòu) 納米科技新突破

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2026-01-23 16:20:13 光明網(wǎng)

中國(guó)科學(xué)院物理研究所的研究團(tuán)隊(duì)通過激光法成功創(chuàng)制了自支撐螢石結(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)行了原子尺度的觀測(cè)和調(diào)控。這項(xiàng)成果于1月23日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表。

鐵電材料是一種特殊的晶體材料，其內(nèi)部由許多微小的“電學(xué)指南針”組成，這些“指南針”指示正負(fù)電荷中心分離的方向，即自發(fā)極化的方向。即使沒有外部電場(chǎng)，這些材料也能自發(fā)地存在正負(fù)電荷分離且規(guī)則排列。鐵電材料的極化方向可以通過施加外部電場(chǎng)來反轉(zhuǎn)，因此在信息存儲(chǔ)、傳感、人工智能等領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。

為了降低系統(tǒng)能量，鐵電材料中的“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。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。疇壁被用來分隔不同的鐵電疇，人們通常認(rèn)為在三維的鐵電晶體中疇壁必然是二維的面，具有遠(yuǎn)小于疇的尺寸?？茖W(xué)家們據(jù)此提出了疇壁納米電子學(xué)，希望基于疇壁工程來大幅提升器件性能。

螢石結(jié)構(gòu)鐵電材料的出現(xiàn)帶來了新機(jī)遇，它的三維晶體結(jié)構(gòu)是由極性晶格層和非極性晶格層交替排列組成。鐵電極化被限制在分離的極性晶格層中，而且各極性晶格層幾乎是完全獨(dú)立的，因此原本的三維鐵疇“魔方”變成了分離的二維鐵疇“拼圖”。在這種材料中可能存在一維的帶電疇壁結(jié)構(gòu)?？蒲袌F(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這些帶電疇壁被約束在極性晶格層中，厚度和寬度均具有埃級(jí)尺寸，疇壁處過量的氧離子或氧空位充當(dāng)了黏結(jié)的“膠水”穩(wěn)定了這些帶電的疇壁。研究團(tuán)隊(duì)還利用電子輻照產(chǎn)生的局部電場(chǎng)演示了對(duì)這些一維帶電疇壁的人工操控。這一研究成果顛覆了人們對(duì)疇壁結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)認(rèn)知，并為開發(fā)具有極限密度的人工智能器件提供了科學(xué)基礎(chǔ)。

(責(zé)任編輯：zhangxiaohua)

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