中国科学家发现一维带电畴壁 铁电材料存储密度有望实现指数级突破

在信息技术飞速发展的今天,存储器件的小型化和高密度化已成为全球科研攻关的重点领域。

传统铁电材料因其独特的极化特性被视为理想候选,但受限于材料结构认知瓶颈,存储密度的提升始终面临物理极限的制约。

长期以来,科学界普遍认为三维铁电晶体中的畴壁只能是二维平面结构。

这一认知导致相关研究长期聚焦于二维畴壁的调控优化。

随着5G、人工智能等技术的普及,全球数据量呈现爆发式增长,现有存储技术已难以满足需求。

据国际数据公司预测,到2025年全球数据总量将达到175ZB,相当于当前存储能力的十倍以上。

中国科学院物理研究所金奎娟院士团队自2018年起,就将目光投向了具有特殊结构的萤石型铁电材料。

这类材料由极性与非极性晶格层交替排列,其独特的"拼图式"结构引发了研究人员的思考:是否存在更微观的一维带电畴壁?

为验证这一猜想,研究团队创新采用激光分子束外延技术,成功制备出厚度仅5纳米的超薄自支撑铁电薄膜。

借助先进电子显微技术,研究人员首次在原子尺度上观测到被约束在极性晶格层中的一维带电畴壁。

这些宽度仅0.25纳米的微观结构,由过量的氧离子或氧空位稳定存在,其尺寸相当于人类头发直径的数十万分之一。

更关键的是,团队通过电子辐照技术实现了对一维带电畴壁的人工操控,包括产生、移动和擦除等完整控制流程。

这项突破性发现具有多重科学价值:其一,填补了铁电物理领域的重要理论空白,揭示了极化切换与氧离子传输的耦合机制;其二,为开发新型存储器件提供了物理基础,其理论存储密度较现有技术可提升三个数量级;其三,开创了通过调控低维结构实现功能强化的材料研究新范式。

业内专家指出,该成果有望推动存储技术从传统的"面存储"向"点存储"跃迁。

据测算,基于一维带电畴壁的存储器件,其信息记录单元可缩小至0.25纳米量级,这将大幅降低设备功耗,同时提升数据读写速度。

目前,研究团队正与产业界合作,加速推进相关技术的工程化应用。

从二维畴壁到一维带电畴壁的跨越,体现出信息技术竞争正从单纯“缩小尺寸”走向“重塑物态”。

面向未来,如何把原子尺度的新现象转化为可规模制造、可长期可靠运行的器件能力,将考验基础研究、工程技术与产业协同的系统创新水平。

此次发现为铁电材料打开了一扇新窗口,也为我国在新型存储与新型计算赛道上持续向前提供了新的支点。