中科院AI晶片新路徑登Science！鐵電材料新結構突破儲存密度極限

中國鐵電材料研究獲重大突破，為下一代人工智慧器件奠定了全新物理基礎！

中科院物理研究所的最新成果，揭開了螢石結構氧化鋯中原子級“一維帶電疇壁”的神秘面紗，論文登上了最新一期Science。

團隊通過原子級成像證實，這些疇壁的寬度和厚度僅為一個晶胞大小，被限制在二維極性層內部，達到了物理尺寸的極限。

該發現揭示了氧離子“自我平衡”的電荷遮蔽機制，不僅突破了傳統二維疇壁的儲存密度瓶頸，還發現了這種一維結構具備獨特的“極化-離子”耦合傳輸特性。

這種特性的揭示，為建構高能效的類腦計算晶片與人工智慧器件開闢了全新的物理路徑。

突破鐵電材料儲存密度極限

在瞭解這項成果之前，首先瞭解一下什麼是鐵電材料。

鐵電材料是指一類具有自發極化，且極化方向可由外電場翻轉的晶體材料。

如果用更通俗的語言來描述，可以將鐵電材料想像成內部充滿了微小的“電學指南針”，它們並不指向地理的南北，而是指示著正負電荷分離的方向。

為了維持能量最低的穩定狀態，這些“指南針”通常會成群結隊地指向同一方向，形成鐵電疇（Domain）。

如果將鐵電材料比作一個魔方，那麼顏色相同的小方塊區域就是鐵電疇，而分隔不同顏色區域的介面則是疇壁。

在經典的凝聚態物理理論中，正如房間的隔斷牆一樣，疇壁一直被定義為一種二維的面狀拓撲缺陷。

然而，中國科學院物理研究所的研究團隊在螢石結構氧化鋯（ZrO2）中打破了這一固有認知。

他們發現，受限於該材料特殊的亞晶胞層狀結構，這堵原本寬闊的二維“牆”被限制在極性層內部，物理壓縮成了原子級尺度的一維“線”。

而且這些一維結構並非普通的“牆”，而是特殊的“頭對頭”（Head-to-Head）和“尾對尾”（Tail-to-Tail）帶電疇壁。

所謂“頭對頭”，是指兩側的極化方向像兩列火車迎面相撞一樣匯聚；而“尾對尾”則恰好相反。

在傳統認知中，這類結構因為局部聚集了大量電荷，能量極高且極不穩定，很難自然存在。

但在氧化鋯中，它們卻被穩穩地壓縮在厚2.55Å（10^-10m）、寬2.7Å的空間內，在物理尺寸上已觸及單個晶胞的極限。

這相當於將宏觀的牆壁極限壓縮成了一根只有頭髮絲數十萬分之一粗細的奈米線。

並且，這種極度受限的一維結構並非靜止的缺陷，而是具有高度活性的功能單元。

電子束誘導實驗證實，在電場驅動下，這些一維疇壁可以像滑塊一樣在晶格中獨立移動。

更關鍵的是，這種移動表現為極化-離子的強耦合效應，也就是說，疇壁的位移會伴隨著氧離子的遷移。

這種機制使得該材料變身為一條高效的“離子傳輸高速公路”，其室溫下的氧離子電導率甚至優於釔穩定氧化鋯（YSZ）等傳統固體電解質。

這一特性為突破算力瓶頸帶來了巨大的想像空間。

利用這種原子級的一維疇壁進行資料儲存，其理論密度可達每平方釐米20TB，相當於在一張郵票大小的裝置中儲存1萬部高畫質電影。

這種極高的儲存密度，結合其獨特的離子傳輸特性，契合了類腦計算對高能效、多級儲存及突觸行為模擬的需求，為未來人工智慧硬體的物理實現提供了全新的賽道。

亞埃級成像揭示穩定存在背後奧秘

然而，要將這條“離子高速公路”真正鋪設開來，必須先解決一個橫亙在經典物理學面前的難題——

從理論角度來看，這種一維帶電疇壁屬於極高能的靜電不穩定結構，巨大的去極化場本應導致其瞬間解體，根本無法維持穩定。

為瞭解開這個“不可能存在”的謎題，研究團隊深入原子世界進行了探究。

為此，團隊首先製備了厚度僅為5奈米的懸空薄膜，利用目前最先進的多層電子疊層成像技術（MEP）進行觀測。

這項技術突破了傳統透射電鏡難以對氧等輕元素進行高襯度成像的物理瓶頸，將空間解析度提升到了約28皮（10^-12米）。

這種亞埃級的成像能力使得研究人員不僅能夠清晰分辨晶格中的氧原子柱，甚至可以通過強度分析定量計算出每個原子柱中的氧含量。

通過這種極限尺度的定量表徵，團隊終於揭示了讓一維疇壁“起死回生”的微觀機理，即晶格內部自發的非化學計量比電荷補償機制。

簡單來說，這些高能疇壁並非獨自對抗靜電斥力，而是通過在局部引入高濃度的點缺陷作為“電荷膠水”來維持結構平衡。

具體而言，在帶正電的“頭對頭”極化交界處，晶格容納了大量過量的間隙氧離子（Interstitial Oxygen）。

以實驗觀測到的典型區域（CDW2）為例，每個亞晶胞中額外“擠”入的氧原子數量達到了0.771個。這意味晶格強行將過量的帶負電氧離子“塞”進了原本狹小的間隙中，利用這些額外的負電荷精準中和了疇壁聚集的正束縛電荷。

反之，在帶負電的“尾對尾”交界處，晶格則表現為氧空位（Oxygen Vacancies）的聚集。

資料表明該區域的氧訊號強度顯著降低，每個亞晶胞中的氧空位數量高達0.8個左右（如CDW1區域為0.851個） 。

這說明晶格主動“剔除”了部分氧原子，留下了大量帶正電的空位缺陷，這些正電中心有效地遮蔽了疇壁的負束縛電荷，從而大幅降低了體系的靜電能。

這種原子層面的“多退少補”機制極其精準，在僅僅幾個埃米的範圍內，氧離子的佔據率發生了劇烈的突變。

正是這種高濃度的缺陷聚集，不僅遮蔽了極化產生的束縛電荷，使一維結構得以穩定存在，同時也解釋了為何該材料能成為優異的離子導體——

因為那些為了維持平衡而大量富集的間隙氧和氧空位，恰恰就是可以在晶格中自由流動的電荷載體，它們將原本阻礙傳導的“牆”，徹底改造為了離子高速流通的“管”。

作者簡介

這項研究由北京凝聚態物理國家研究中心主導，有兩名共同一作，包括中科院物理所出站博士後、魯東大學副教授鐘海，以及中科院物理所博士生王詩雨。

通訊作者則由金奎娟院士、葛琛研究員和張慶華副研究員共同擔任。

金奎娟院士1995年在中國科學院物理所獲理學博士學位，師從楊國楨院士，1995年留所工作，隨後分別在美國橡樹嶺國家實驗室和田納西大學、瑞典LUND大學作從事博士後研究，2003年回所工作，2023年當選為中國科學院數理學部院士。

葛琛2007年於山東大學物理學院獲得學士學位，2012年中國科學院物理研究所師從楊國楨院士和金奎娟院士碩博連讀畢業，同年留在物理所光物理實驗室任助理研究員，2018年起任博士生導師，2022年晉陞為研究員。

張慶華2013年於中科院物理研究所獲得博士學位，2014-2017年在清華大學材料學院開展博士後研究，2017年5月加入中科院物理研究所，任副研究員、博士生導師。

另外，還有北京凝聚態物理國家研究中心的更多人員，以及來自清華大學的研究人員也參與了該項研究。

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