中國網/中國發展門戶網訊 近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心金奎娟院士、葛琛研究員、張慶華副研究員聯合研究團隊通過激光法創制了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了原子尺度的觀測和調控。研究發現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尺寸（約為人類頭發直徑的數十萬分之一），疇壁處過量的氧離子或氧空位充當了黏結的“膠水”穩定了這些帶電的疇壁。研究團隊利用電子輻照產生的局部電場演示了對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于疇壁結構的傳統認知，并為開發具有極限密度的人工智能器件提供了科學基礎。相關成果發表于《Science》。

在物質世界中存在一類特殊的晶體材料，它的內部由許多微小的“電學指南針”組成，這些“指南針”不是指向南北，而是指示正負電荷中心分離的方向，即自發極化的方向。這種即使沒有外部電場也自發地存在正負電荷分離且規則排列的材料被稱為鐵電材料，它們的極化方向可以通過施加外部電場來反轉。像指南針能夠吸引鐵質金屬一樣，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。

出于降低系統能量的需求，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。同時，由于疇壁被用來分隔不同的鐵電疇，人們通常認為在三維的鐵電晶體中疇壁必然是二維的面，具有遠小于疇的尺寸?？茖W家們據此提出了疇壁納米電子學，希望基于疇壁工程來大幅提升器件性能。

鐵電魔方示意圖。每個小方塊類比原子晶格，方塊的顏色類比極化狀態，相同顏色的小方塊組成了疇，不同疇之間的界面即為疇壁（綠色高亮顯示）。

自然界是否有合適的材料去構建超小型鐵電疇壁從而提升存儲密度呢？螢石結構鐵電材料的出現帶來了新機遇，它的三維晶體結構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”。據此，在這種材料中可能存在一維的帶電疇壁結構。

據介紹，研究團隊從2018年便開始了螢石結構鐵電材料的研究，初始目標是獲得外延體系下的單晶薄膜，并以其作為鐵電物理機制和新物態研究的材料平臺。然而，受限于螢石結構材料體系本征的多晶多相性，團隊發現尋常的方法始終無法達到預期的目標，因此進行了材料制備上的創新。研究團隊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的螢石結構鐵電薄膜（~ 5 nm），利用化學手段破壞薄膜與襯底的連接使它們能夠從襯底上脫離并轉移，結合電子顯微技術能夠在幾十納米區域內構建出理想的模型物理體系。創制的自支撐螢石鐵電薄膜成為開展新物態研究的良好材料平臺。團隊與合作者利用當前先進的電子顯微學技術，對氧原子這種輕元素原子進行了精確定量表征，實現了對這些納米薄膜晶體結構的全方位原子級觀察。正是這些新材料和新方法使研究團隊能夠發現一維帶電疇壁這種新物態。

據悉，該研究創新點是通過維度限制設計思路在三維晶體里尋找到了一維帶電疇壁新物態，補全了鐵電物理的一塊拼圖。該工作的意義體現在兩個層面：科學層面，這個工作的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在耦合關系；應用層面，埃級尺寸的疇壁單元預期能極大地提升信息存儲密度，通過在半個單胞內控制一維疇壁的寫入、驅動和擦除，能實現模擬計算，這為開發具有極限密度的人工智能器件載體提供了科學基礎。