記者從中國科學(xué)院物理研究所獲悉，該所研究團(tuán)隊通過激光法創(chuàng)制了自支撐螢石結(jié)構(gòu)鐵電薄膜，并利用先進(jìn)的電子顯微鏡技術(shù)對薄膜中的一維帶電疇壁（晶體結(jié)構(gòu)）進(jìn)行了原子尺度的觀測和調(diào)控。相關(guān)成果1月23日在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表。

△每個小方塊類比原子晶格，方塊的顏色類比極化狀態(tài)，相同顏色的小方塊組成了疇，不同疇之間的界面即為疇壁（綠色部分）。

在物質(zhì)世界中存在一類特殊的晶體材料，它的內(nèi)部由許多微小的“電學(xué)指南針”組成，這些“指南針”不是指向南北，而是指示正負(fù)電荷中心分離的方向，即自發(fā)極化的方向。我們稱這種即使沒有外部電場也自發(fā)地存在正負(fù)電荷分離且規(guī)則排列的材料為鐵電材料，它們的極化方向可以通過施加外部電場來反轉(zhuǎn)。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(xué)指南針”也能夠吸引附近物質(zhì)中的電荷。基于它們的這一特性，鐵電材料在信息存儲、傳感、人工智能等領(lǐng)域都具有巨大的應(yīng)用潛力。

出于降低系統(tǒng)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(dāng)所有小方塊顏色相同時魔方便是無疇壁的單一鐵電疇；當(dāng)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(bǔ)償機(jī)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(rèn)為在三維的鐵電晶體中疇壁必然是二維的面，具有遠(yuǎn)小于疇的尺寸?？茖W(xué)家們據(jù)此提出了疇壁納米電子學(xué)，希望基于疇壁工程來大幅提升器件性能。

△螢石結(jié)構(gòu)鐵電材料ZrO2（二氧化鋯）中的一維帶電疇壁示意圖

那么自然界是否有合適的材料去構(gòu)建超小型鐵電疇壁從而提升存儲密度呢？螢石結(jié)構(gòu)鐵電材料的出現(xiàn)帶來了新機(jī)遇，它的三維晶體結(jié)構(gòu)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(jù)此，在這種材料中可能存在一維的帶電疇壁結(jié)構(gòu)。如果存在的話，是怎樣的物理機(jī)制充當(dāng)“膠水”來穩(wěn)定了這些帶電疇壁呢？我們又能否人為操控這些疇壁的產(chǎn)生、運(yùn)動和擦除呢？

科研團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)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(fā)直徑的數(shù)十萬分之一），疇壁處過量的氧離子或氧空位充當(dāng)了黏結(jié)的“膠水”穩(wěn)定了這些帶電的疇壁。研究團(tuán)隊利用電子輻照產(chǎn)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(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)認(rèn)知，并為開發(fā)具有極限密度的人工智能器件提供了科學(xué)基礎(chǔ)。