中科院铁电材料研究取得突破性进展：一维带电畴壁开辟AI芯片新路径

中国科学院物理研究所的一项最新研究成果登上国际顶级期刊《Science》，揭示了铁电材料中一维带电畴壁的全新特性，为下一代人工智能器件和类脑计算芯片提供了全新的物理基础。

研究团队通过原子级成像技术证实，在萤石结构氧化锆（ZrO₂）中发现了一种宽度和厚度仅为一个晶胞大小的一维带电畴壁。这种结构被限制在二维极性层内部，达到了物理尺寸的极限。

这一发现不仅揭示了氧离子“自我平衡”的电荷屏蔽机制，还突破了传统二维畴壁的存储密度瓶颈，同时展示了这种一维结构独特的“极化-离子”耦合传输特性。

这些特性为构建高能效的类脑计算芯片和人工智能硬件开辟了全新的可能性。

突破铁电材料存储密度极限

铁电材料是一种具有自发极化的晶体材料，其极化方向可以通过外电场翻转。可以将其比喻为内部充满了微小的“电学指南针”，它们指向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”通常会形成铁电畴（Domain），类似于魔方中颜色相同的小方块区域，而分隔不同区域的界面则称为畴壁。

在经典理论中，畴壁被认为是二维的面状拓扑缺陷。然而，中科院的研究团队在萤石结构氧化锆中打破了这一认知。

他们发现，受限于该材料特殊的亚晶胞层状结构，原本二维的畴壁被压缩为原子级尺度的一维“线”，其宽度和厚度仅相当于单个晶胞。

这些一维畴壁并非普通的结构，而是特殊的“头对头”（Head-to-Head）和“尾对尾”（Tail-to-Tail）带电畴壁。“头对头”指两侧极化方向汇聚，“尾对尾”则相反。

传统理论认为，这类结构因局部聚集大量电荷而极不稳定，但在氧化锆中，它们却被稳稳地限制在厚2.55Å、宽2.7Å的空间内，达到了物理极限。

此外，这些一维畴壁并非静止的缺陷，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，它们可以在晶格中独立移动。

更重要的是，这种移动表现为极化-离子的强耦合效应，即畴壁的位移伴随着氧离子的迁移。这使得该材料成为一条高效的“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。

利用这种原子级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。

亚埃级成像揭示稳定存在背后奥秘

然而，这种一维带电畴壁属于极高能的静电不稳定结构，理论上应难以维持稳定。研究团队通过多层电子叠层成像技术（MEP）深入探究了这一现象。

这项技术突破了传统透射电镜对轻元素成像的瓶颈，将空间分辨率提升至约28皮米（10⁻¹²米），使研究人员能够清晰分辨晶格中的氧原子柱，并定量分析每个原子柱中的氧含量。

通过这种极限尺度的表征，团队揭示了晶格内部自发的非化学计量比电荷补偿机制。简单来说，这些高能畴壁通过引入高浓度点缺陷作为“电荷胶水”来维持结构平衡。

例如，在“头对头”极化交界处，晶格容纳了大量间隙氧离子；而在“尾对尾”交界处，则表现为氧空位的聚集。

这种机制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，还解释了该材料为何能成为优异的离子导体。

本文来源：量子位