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。中科院物理研究所在《Science》上发表的最新成果，揭示了萤石结构氧化锆中原子级“一维带电畴壁”的奥秘。
突破铁电材料存储密度极限
铁电材料是一类具有自发极化、且极化方向可由外电场翻转的晶体材料。其内部自发形成的极化区域称为铁电畴，畴与畴之间的界面即为畴壁。
传统理论中，畴壁被视为二维的面状拓扑缺陷。然而，研究团队在氧化锆中发现，畴壁被限制在极性层内部，物理压缩成了原子级尺度的一维“线”。这些一维结构是特殊的“头对头”和“尾对尾”带电畴壁。
- 原子级极限：这些畴壁被稳定压缩在厚约2.55Å、宽约2.7Å的空间内，达到了单个晶胞的物理尺寸极限。
- 动态功能单元：在电场驱动下，一维畴壁可以像滑块一样在晶格中独立移动，并伴随着氧离子的迁移，表现出“极化-离子”强耦合效应。
- 超高存储潜力：利用这种一维畴壁进行数据存储，理论密度可达每平方厘米20TB。结合其高效离子传输特性，该发现为构建高能效的类脑计算芯片与人工智能硬件开辟了新路径。
亚埃级成像揭示稳定机制
一维带电畴壁在理论上属于极高能的不稳定结构。研究团队通过制备超薄薄膜，并利用多层电子叠层成像技术（MEP，分辨率约28皮米）进行原子级观测，揭示了其稳定存在的微观机理。
观测发现，晶格内部存在自发的非化学计量比电荷补偿机制：
- 在带正电的“头对头”畴壁处，晶格中富集大量间隙氧离子，引入额外负电荷进行中和。
- 在带负电的“尾对尾”畴壁处，晶格中则聚集大量氧空位，提供正电荷进行屏蔽。
这种在原子尺度精准的“多退少补”机制，通过高浓度的点缺陷作为“电荷胶水”，屏蔽了极化产生的束缚电荷，使一维畴壁得以稳定。同时，这些富集的间隙氧和氧空位也成为了可自由移动的电荷载体，将畴壁从“墙”改造为离子高速传输的“管道”。
