铁电性在纳米尺度显现

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美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的研究人员发现，一种常见材料的超薄版本展现出一种特殊的电学特性，有望成为推动高能效微电子器件发展的变革性技术。

这种仅几纳米厚的氧化物可用于微芯片，其能耗远低于传统材料。它的“超能力”在于其铁电性。这意味着它不仅具有自发的内部电学排列，而且该排列的方向可通过外加电场进行反转。与传统计算硬件相比，铁电材料能在低得多的电压下运行或“切换”。找到能在超薄尺寸下表现优异的铁电材料，使得在不导致过热的情况下为微小芯片注入更强性能成为可能，为降低下一代存储和逻辑器件的能耗提供了一条宝贵途径。

“介电材料在减薄至原子尺度时能够发生铁电相变，这为相变物理和极性畸变研究在一个全新类别的材料中开辟了令人振奋的机遇，”领导该研究并在《科学》（Science）期刊上发表新成果的Sayeef Salahuddin表示。Salahuddin是伯克利实验室材料科学部的教职科学家，也是加州大学伯克利分校材料科学与工程学教授。

追求超薄性能

铁电材料之所以能实现内部排列（即极化），归功于其晶体结构的畸变。但大多数在块体状态下具有铁电性的材料，在变薄时会失去这种极化。设计超薄铁电材料还面临另一个实际障碍：使其与硅电子学中使用的标准半导体技术相兼容——这是一项重大的制造挑战。

“这一切的核心在于让器件更高效，并在不断缩小的尺度上降低功耗。” – Sayeef Salahuddin

2020年，Salahuddin的团队在薄膜材料的铁电切换方面取得了突破性演示。在与伯克利实验室美国能源部科学办公室用户设施“分子铸造厂”（Molecular Foundry）的研究人员合作下，他们在可实现低温条件下，在硅衬底上生长出了一层一纳米厚的氧化铪薄膜。基于这一成功，他们开始考虑其他可能具有类似特性的材料。这使他们将目光投向了二氧化钛（TiO2），这是一种简单的介电材料，通常用作油漆和塑料中的颜料及紫外线过滤剂。

理论工作曾预测，二氧化钛在极高压力下会因晶体结构从中心对称变为各向异性而呈现铁电性。“在块体状态下，二氧化钛是一种无处不在的介电材料，具有有趣的光物理特性，我们将其广泛应用于防晒霜到催化剂等各个领域。不寻常的科学现象发生在纳米尺度，此时它会变成铁电体，”领导该材料结构光学测量的分子铸造厂首席科学家Archana Raja表示。

对称与非对称之间

利用原子层沉积（ALD）技术，Salahuddin及其同事在不同衬底上合成了厚度从一纳米到十纳米不等的二氧化钛样品。该方法能精确控制原子位置，且无需极端高温。随后，研究人员对每个样品进行了电学极化特征探测：寻找原本各向同性的电子结构中出现各向异性的迹象。

其中一种探测手段使用了伯克利实验室美国能源部科学办公室用户设施“先进光源”（ALS）的X射线。通过观察材料对不同极化方向的线偏振X射线的吸收情况，Salahuddin团队与ALS研究科学家Christoph Klewe共同解析了其电子结构中的各向异性。对于较厚的样品，各方向的吸收相同，表明电子环境是各向同性的。但对于厚度小于3纳米的样品，吸收光谱显示出明显差异，表明存在与极性畸变一致的各向异性。“二氧化钛的表现与大多数其他铁电体不同，它在更小的厚度下才表现出这种畸变。通常情况恰恰相反，”Klewe表示。

另一种探测手段使用了分子铸造厂的可见光。在二次谐波产生（SHG）过程中，如果材料具有与铁电相相关的特定对称性，材料内部相互作用的两个同频光子会结合产生一个能量翻倍、频率翻倍、波长减半的新光子。信号强度的测量——这是对称性破缺的基准——显示，厚度小于3纳米的样品出现了突然跃升。“我们直接测量了晶体畸变，因为原子在结构相变过程中确实发生了位移，”Raja表示。

X射线与光学测量结果共同表明，二氧化钛仅在超薄版本中失去了中心对称结构，并稳定为畸变的“正交”结构。“在3纳米左右会发生某种变化，你会看到新的晶体结构，”Raja说。通过对不同长度尺度和极化方向敏感的互补技术测量对称性破缺，不仅证实了铁电行为，还勾勒出其涌现的多维图景。

“我们观察到，随着材料不断减薄，晶格畸变逐渐增强，超过某一临界点后便会诱发铁电相变，”同样领导该研究的加州大学伯克利分校研究生Koushik Das表示。

这项工作为发现更多在低维形态下呈现铁电性的材料奠定了基础。最终，研究人员希望建立一个此类材料的数据库，并筛选出最适合特定应用的材料。“如果你想制造器件，可以根据器件架构挑选不同的材料，”Das说。

这类材料未来有望应用于微电子领域的存储和逻辑芯片。在人工智能和耗电巨大的数据中心时代，这一点比以往任何时候都更为重要。“这一切的核心在于让器件更高效，并在不断缩小的尺度上降低功耗，”Salahuddin总结道。

本研究由美国能源部科学办公室资助。

资讯来源

• 《磁学杂志》（Magnetics Magazine） (2026-08-18)
• 原文链接： Ferroelectricity Emerges at the Nanoscale