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中科院AI芯片新路徑登Science! 鐵電材料新結構突破存儲密度極限

中科院AI芯片新路徑登Science! 鐵電材料新結構突破存儲密度極限

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528BTC
Published:
2026-01-24 18:07:00
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中国铁电材料研究获重大突破,ä¸ºä¸‹ä¸€ä»£äººå·¥æ™ºèƒ½å™¨ä»¶å¥ å®šäº†å…¨æ–°ç‰©ç†åŸºç¡ €!

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。

å›¢é˜Ÿé€šè¿ ‡åŽŸå­çº§æˆåƒè¯å®ž,è¿ ™äº›ç•´å£çš„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。

è¯¥å‘çŽ°æ­ç¤ºäº†æ°§ç¦»å­â€œè‡ªæˆ‘å¹³è¡ ¡ ”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,è¿ ˜å‘çŽ°äº†è¿ ™ç§ä¸€ç»´ç»“构具备独特的“极化-离子”耦合传输特性。

è¿ ™ç§ç‰¹æ€§çš„æ­ç¤º,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

åœ¨äº†è§£è¿ ™é¡ ¹æˆæžœä¹‹å‰,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,ä¸”æžåŒ–æ–¹å‘å¯ç”±å¤–ç”µåœºç¿ »è½¬çš„æ™¶ä½“材料。

å¦‚æžœç”¨æ›´é€šä¿ —çš„è¯­è¨€æ¥æè¿ °,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,è¿ ™äº›â€œæŒ‡å—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)ä¸­æ‰“ç ´äº†è¿ ™ä¸€å›ºæœ‰è®¤çŸ¥ã€‚

他们发现,受限于该材料特殊的亚晶胞层状结构,è¿ ™å µåŽŸæœ¬å®½é˜”çš„äºŒç»´â€œå¢™â€è¢«é™åˆ¶åœ¨æžæ€§å±‚å†…éƒ¨,物理压缩成了原子级尺度的一维“线 ”。

è€Œä¸”è¿ ™äº›ä¸€ç»´ç»“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”,æ˜¯æŒ‡ä¸¤ä¾§çš„æžåŒ–æ–¹å‘åƒä¸¤åˆ—ç«è½¦è¿ Žé¢ç›¸æ’žä¸€æ ·æ±‡èš;而“尾对尾”则恰好相反。

在传统认知中,è¿ ™ç±»ç»“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å​​­˜åœ¨ã€‚

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。

è¿ ™ç›¸å½“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,è¿ ™ç§æžåº¦å—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,è¿ ™äº›ä¸€ç»´ç•´å£å¯ä»¥åƒæ»‘块一样在晶格中独立移动。

更关键的是,è¿ ™ç§ç§»åŠ¨è¡ ¨çŽ°ä¸ºæžåŒ–-离子的强耦合效应,也就是说,ç•´å£çš„ä½ç§»ä¼šä¼´éšç€æ°§ç¦»å­çš„è¿ ç§»ã€‚

è¿ ™ç§æœºåˆ¶ä½¿ 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。

è¿ ™ä¸€ç‰¹æ€§ä¸ºçªç ´ç®—力瓶颈带来了巨大的想象 空间。

åˆ©ç”¨è¿ ™ç§åŽŸå­çº§çš„ä¸€ç»´ç•´å£è¿ ›è¡ Œæ•°æ®å­˜å‚¨,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。

è¿ ™ç§æžé«˜çš„存储密度,结合其独特的离子传输特性,契合了类脑计 ç®—å¯¹é«˜èƒ½æ•ˆã€å¤šçº§å­˜å‚¨åŠçªè§¦è¡ Œä¸ºæ¨¡ 拟的需求,ä¸ºæœªæ¥äººå·¥æ™ºèƒ½ç¡ ¬ä»¶çš„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,è¦å°†è¿ ™æ¡ “离子高速公路”真正铺设开来,å¿ …é¡ »å…ˆè§£å†³ä¸€ä¸ªæ¨ªäº˜åœ¨ç»å…¸ç‰©ç†å­¦é¢å‰çš„难题——

从理论角度来看,è¿ ™ç§ä¸€ç»´å¸¦ç”µç•´å£å±žäºŽæžé«˜èƒ½çš„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。

ä¸ºäº†è§£å¼€è¿ ™ä¸ªâ€œä¸å¯èƒ½å­˜åœ¨â€çš„谜题,ç ”ç©¶å›¢é˜Ÿæ·±å…¥åŽŸå­ä¸–ç•Œè¿ ›è¡ Œäº†æŽ¢ç©¶ã€‚

为此,团队首先制备了厚度仅为5纳米的悬空薄膜,åˆ©ç”¨ç›®å‰æœ€å…ˆè¿ ›çš„多层电子叠层成像技术(MEP)è¿ ›è¡ Œè§‚测。

è¿ ™é¡ ¹æŠ€æœ¯çªç ´äº†ä¼ ç»Ÿé€å°„ç”µé•œéš¾ä»¥å¯¹æ°§ç­‰è½»å…ƒç´ è¿ ›è¡ Œé«˜è¡ ¬åº¦æˆåƒçš„物理瓶颈,将空间分辨率提升到了约28皮(10^-12ç±³)。

è¿ ™ç§äºšåŸƒçº§çš„æˆåƒèƒ½åŠ›ä½¿ 得研究人员不仅能够清晰分辨晶格中的氧原子柱,ç”šè‡³å¯ä»¥é€šè¿ ‡å¼ºåº¦åˆ†æžå®šé‡è®¡ 算出每个原子柱中的氧含量。

é€šè¿ ‡è¿ ™ç§æžé™å°ºåº¦çš„å®šé‡è¡ ¨å¾,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 é‡æ¯”ç”µè·è¡ ¥å¿ 机制。

简单来说,è¿ ™äº›é«˜èƒ½ç•´å£å¹¶éžç‹¬è‡ªå¯¹æŠ—静电斥力,è€Œæ˜¯é€šè¿ ‡åœ¨å±€éƒ¨å¼•å…¥é«˜æµ“åº¦çš„ç‚¹ç¼ºé™·ä½œä¸ºâ€œç”µè·èƒ¶æ°´â€æ¥ç»´æŒç»“æž„å¹³è¡ ¡ 。

具体而言,在带正电的“头对头”极化交界处,æ™¶æ ¼å®¹çº³äº†å¤§é‡è¿ ‡é‡çš„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0.771ä¸ªã€‚è¿ ™æ„å‘³æ™¶æ ¼å¼ºè¡ Œå°†è¿ ‡é‡çš„å¸¦è´Ÿç”µæ°§ç¦»å­â€œå¡ žâ€è¿ ›äº†åŽŸæœ¬ç‹­å°çš„é—´éš™ä¸­,åˆ©ç”¨è¿ ™äº›é¢å¤–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,æ™¶æ ¼åˆ™è¡ ¨çŽ°ä¸ºæ°§ç©ºä½(Oxygen Vacancies)的聚集。

æ•°æ®è¡ ¨æ˜Žè¯¥åŒºåŸŸçš„æ°§ä¿ ¡ 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) 。

è¿ ™è¯´æ˜Žæ™¶æ ¼ä¸»åŠ¨â€œå‰”é™¤â€äº†éƒ¨åˆ†æ°§åŽŸå­,留下了大量带正电的空位缺陷,è¿ ™äº›æ­£ç”µä¸­å¿ ƒæœ‰æ•ˆåœ°å±è”½äº†ç•´å£çš„负束缚电荷,从而大幅降低了体系的静电能。

è¿ ™ç§åŽŸå­å±‚é¢çš„â€œå¤šé€€å°‘è¡ ¥â€æœºåˆ¶æžå…¶ç²¾å‡†,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。

æ­£æ˜¯è¿ ™ç§é«˜æµ“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——

å› ä¸ºé‚£äº›ä¸ºäº†ç»´æŒå¹³è¡ ¡ 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

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