中國突破極限密度存儲技術(shù) 為人工智能器件奠定基礎(chǔ)

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2026-01-24 00:00:34 中國新聞網(wǎng)

中國科學(xué)家團(tuán)隊在鐵電材料與疇壁研究領(lǐng)域取得重要突破，發(fā)現(xiàn)了一維帶電疇壁新結(jié)構(gòu)。這一發(fā)現(xiàn)不僅填補了鐵電物理的一個空白，還顛覆了對疇壁結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)認(rèn)知，并為開發(fā)高密度人工智能器件奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。

該研究由中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心的金奎娟院士、葛琛研究員和張慶華副研究員共同完成。他們通過激光法成功制備出自支撐螢石結(jié)構(gòu)鐵電薄膜，并利用先進(jìn)的電子顯微鏡技術(shù)對薄膜中的一維帶電疇壁進(jìn)行了原子尺度的觀測和調(diào)控。研究成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。

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，即使沒有外部電場也自發(fā)地存在正負(fù)電荷分離且規(guī)則排列。鐵電材料在信息存儲、傳感、人工智能等領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。

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”。疇壁的存在使得帶電疇壁通常具有迥異于鐵電疇的物理特性，科學(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大幅提升器件性能。

研究團(tuán)隊從2018年開始進(jìn)行螢石結(jié)構(gòu)鐵電材料的研究，利用激光分子束外延方法在基底上生長了僅十個晶胞層厚度、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)，實現(xiàn)了對納米薄膜晶體結(jié)構(gòu)的全方位原子級觀察，發(fā)現(xiàn)了這種一維帶電疇壁新結(jié)構(gòu)。

這一發(fā)現(xiàn)打破了人們對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。埃級尺寸的疇壁單元預(yù)期能極大地提升信息存儲密度，通過在半個單胞內(nèi)控制一維疇壁的寫入、驅(qū)動和擦除，能實現(xiàn)模擬計算，為極限密度人工智能器件開發(fā)提供了科學(xué)基礎(chǔ)。

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