中新網(wǎng)北京1月23日電 (記者 孫自法)在當今物質(zhì)科學和信息技術交叉融合前沿的鐵電材料與疇壁研究領域，中國科學家團隊最新研究發(fā)現(xiàn)一維帶電疇壁新結構，補全了鐵電物理的一塊拼圖，這不僅顛覆了人們對于疇壁結構的傳統(tǒng)認知，也為開發(fā)具有極限密度的人工智能器件奠定重要科學基礎。
這項物理學基礎前沿的重要研究突破，由中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心金奎娟院士、葛琛研究員、張慶華副研究員聯(lián)合團隊共同完成，他們通過激光法成功創(chuàng)制自支撐螢石結構鐵電薄膜，并利用先進的電子顯微鏡技術對薄膜中的一維帶電疇壁進行原子尺度的觀測和調(diào)控。北京時間1月23日凌晨，相關成果論文在國際學術期刊《科學》(Science)上線發(fā)表。
何為鐵電材料
研究團隊介紹說，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“電學指南針”組成，它們不是指向南北，而是指示正負電荷中心分離的方向，即自發(fā)極化的方向。物理學家稱這種即使沒有外部電場也自發(fā)地存在正負電荷分離且規(guī)則排列的材料為鐵電材料。
本項研究的鐵電“魔方”示意圖。中國科學院物理研究所 供圖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、傳感、人工智能等領域都具有巨大的應用潛力。
出于降低系統(tǒng)能量的需求，鐵電材料中的“電學指南針”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魔方，當所有小方塊顏色相同時魔方便是無疇壁的單一鐵電疇；當不同顏色的小方塊(即不同極化取向的鐵電疇)組合在一起時它們的界面就是疇壁。
如果兩個鐵電疇的同一極拼在一起，它們之間的疇壁便會由于電荷聚集而難以穩(wěn)定，需要一些特殊的“膠水”(即電荷補償機制)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家們據(jù)此提出疇壁納米電子學，希望基于疇壁工程來大幅提升器件性能。
研究有何創(chuàng)新
研究團隊指出，他們從2018年便開始螢石結構鐵電材料的研究，進行材料制備上的創(chuàng)新。
研究過程中，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納米的螢石結構鐵電薄膜，結合電子顯微技術能夠在幾十納米區(qū)域內(nèi)構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，成為開展新結構研究的良好材料平臺。
隨后，研究團隊與合作者利用當前先進的電子顯微學技術，實現(xiàn)對納米薄膜晶體結構的全方位原子級觀察，基本知曉了薄膜中每一個原子的具體位置。
本項研究的螢石結構鐵電材料中的一維帶電疇壁示意圖。中國科學院物理研究所 供圖正是這些新材料和新方法，使研究團隊能夠發(fā)現(xiàn)一維帶電疇壁這種新結構。
本項研究創(chuàng)新點是通過維度限制設計思路，在三維晶體里尋找到一維帶電疇壁新結構，其意義主要體現(xiàn)為兩個層面：
科學層面，研究結果打破了人們對于三維晶體中疇壁為本征二維結構的傳統(tǒng)認知，闡明了螢石鐵電體中極化切換與氧離子傳輸之間的內(nèi)在耦合關系。
應用層面，埃級尺寸(約為人類頭發(fā)直徑的數(shù)十萬分之一)的疇壁單元預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)提供了科學基礎。
如何轉化應用
鐵電材料與疇壁研究的核心在于通過對材料內(nèi)部極化“開關”(鐵電疇)及其邊界(疇壁)的精確調(diào)控，來創(chuàng)造新一代高性能器件，以應對信息存儲、人工智能、高端裝備與前沿科技競爭等多方面的國家戰(zhàn)略需求，尤其是鐵電疇壁研究對人工智能硬件的革新潛力巨大。
研究團隊表示，利用具有靈活電場可調(diào)性的疇壁單元，可在同一物理器件中實現(xiàn)高密度數(shù)據(jù)存儲與類腦計算功能，為開發(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筑出極限尺寸的疇壁新結構，從而大幅提升器件存儲密度和算力。
利用一維帶電疇壁進行信息存儲，預計將比當前的存儲密度提高約幾百倍——理論上可達每平方厘米約20太字節(jié)(TB)，相當于將1萬部高清電影或20萬段高清短視頻存儲在一張郵票大小的設備中。
同時，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，而且預計還將具有低功耗和易操控等優(yōu)點。研究團隊3年前制備的實驗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)