中国铁电材料研究获重大突破,为下一代人工智能器件奠定了全新物理基础!

中科院物理研究所的最新成果,揭开了萤石结构氧化锆中原子级“一维带电畴壁”的神秘面纱,论文登上了最新一期Science。

团队通过原子级成像证实,这些畴壁的宽度和厚度仅为一个晶胞大小,被限制在二维极性层内部,达到了物理尺寸的极限。

该发现揭示了氧离子“自我平衡”的电荷屏蔽机制,不仅突破了传统二维畴壁的存储密度瓶颈,还发现了这种一维结构具备独特的“极化-离子”耦合传输特性。

这种特性的揭示,为构建高能效的类脑计算芯片与人工智能器件开辟了全新的物理路径。

突破铁电材料存储密度极限

在了解这项成果之前,首先了解一下什么是铁电材料。

铁电材料是指一类具有自发极化,且极化方向可由外电场翻转的晶体材料。

如果用更通俗的语言来描述,可以将铁电材料想象成内部充满了微小的“电学指南针”,它们并不指向地理的南北,而是指示着正负电荷分离的方向。

为了维持能量最低的稳定状态,这些“指南针”通常会成群结队地指向同一方向,形成铁电畴(Domain)。

如果将铁电材料比作一个魔方,那么颜色相同的小方块区域就是铁电畴,而分隔不同颜色区域的界面则是畴壁。

在经典的凝聚态物理理论中,正如房间的隔断墙一样,畴壁一直被定义为一种二维的面状拓扑缺陷。

然而,中国科学院物理研究所的研究团队在萤石结构氧化锆(ZrO2)中打破了这一固有认知。

他们发现,受限于该材料特殊的亚晶胞层状结构,这堵原本宽阔的二维“墙”被限制在极性层内部,物理压缩成了原子级尺度的一维“线”。

而且这些一维结构并非普通的“墙”,而是特殊的“头对头”(Head-to-Head)和“尾对尾”(Tail-to-Tail)带电畴壁。

所谓“头对头”,是指两侧的极化方向像两列火车迎面相撞一样汇聚;而“尾对尾”则恰好相反。

在传统认知中,这类结构因为局部聚集了大量电荷,能量极高且极不稳定,很难自然存在。

但在氧化锆中,它们却被稳稳地压缩在厚2.55Å(10^-10m)、宽2.7Å的空间内,在物理尺寸上已触及单个晶胞的极限。

这相当于将宏观的墙壁极限压缩成了一根只有头发丝数十万分之一粗细的纳米线。

并且,这种极度受限的一维结构并非静止的缺陷,而是具有高度活性的功能单元。

电子束诱导实验证实,在电场驱动下,这些一维畴壁可以像滑块一样在晶格中独立移动。

更关键的是,这种移动表现为极化-离子的强耦合效应,也就是说,畴壁的位移会伴随着氧离子的迁移。

这种机制使得该材料变身为一条高效的“离子传输高速公路”,其室温下的氧离子电导率甚至优于钇稳定氧化锆(YSZ)等传统固体电解质。

这一特性为突破算力瓶颈带来了巨大的想象空间。

利用这种原子级的一维畴壁进行数据存储,其理论密度可达每平方厘米20TB,相当于在一张邮票大小的设备中存储1万部高清电影。

这种极高的存储密度,结合其独特的离子传输特性,契合了类脑计算对高能效、多级存储及突触行为模拟的需求,为未来人工智能硬件的物理实现提供了全新的赛道。

亚埃级成像揭示稳定存在背后奥秘

然而,要将这条“离子高速公路”真正铺设开来,必须先解决一个横亘在经典物理学面前的难题——

从理论角度来看,这种一维带电畴壁属于极高能的静电不稳定结构,巨大的去极化场本应导致其瞬间解体,根本无法维持稳定。

为了解开这个“不可能存在”的谜题,研究团队深入原子世界进行了探究。

为此,团队首先制备了厚度仅为5纳米的悬空薄膜,利用目前最先进的多层电子叠层成像技术(MEP)进行观测。

这项技术突破了传统透射电镜难以对氧等轻元素进行高衬度成像的物理瓶颈,将空间分辨率提升到了约28皮(10^-12米)。

这种亚埃级的成像能力使得研究人员不仅能够清晰分辨晶格中的氧原子柱,甚至可以通过强度分析定量计算出每个原子柱中的氧含量。

通过这种极限尺度的定量表征,团队终于揭示了让一维畴壁“起死回生”的微观机理,即晶格内部自发的非化学计量比电荷补偿机制。

简单来说,这些高能畴壁并非独自对抗静电斥力,而是通过在局部引入高浓度的点缺陷作为“电荷胶水”来维持结构平衡。

具体而言,在带正电的“头对头”极化交界处,晶格容纳了大量过量的间隙氧离子(Interstitial Oxygen)。

以实验观测到的典型区域(CDW2)为例,每个亚晶胞中额外“挤”入的氧原子数量达到了0.771个。这意味晶格强行将过量的带负电氧离子“塞”进了原本狭小的间隙中,利用这些额外的负电荷精准中和了畴壁聚集的正束缚电荷。

反之,在带负电的“尾对尾”交界处,晶格则表现为氧空位(Oxygen Vacancies)的聚集。

数据表明该区域的氧信号强度显著降低,每个亚晶胞中的氧空位数量高达0.8个左右(如CDW1区域为0.851个) 。

这说明晶格主动“剔除”了部分氧原子,留下了大量带正电的空位缺陷,这些正电中心有效地屏蔽了畴壁的负束缚电荷,从而大幅降低了体系的静电能。

这种原子层面的“多退少补”机制极其精准,在仅仅几个埃米的范围内,氧离子的占据率发生了剧烈的突变。

正是这种高浓度的缺陷聚集,不仅屏蔽了极化产生的束缚电荷,使一维结构得以稳定存在,同时也解释了为何该材料能成为优异的离子导体——

因为那些为了维持平衡而大量富集的间隙氧和氧空位,恰恰就是可以在晶格中自由流动的电荷载体,它们将原本阻碍传导的“墙”,彻底改造为了离子高速流通的“管”。

本文来源: 量子位