利用极限尺寸功能结构大幅提升器件的存储密度，实现“存得更多、占得更少”，是当今物质科学和信息技术交叉融合的前沿领域。近日，中国科学院物理研究所师生团队与合作者成功在萤石结构铁电材料中发现一维带电畴壁，厚度和宽度均约为人类头发直径的数十万分之一，为开发具有极限密度的器件提供科学基础。
铁电ZrO₂中的一维带电畴壁。铁电ZrO₂结构的卡通示意图以及限制在二维极性层内的“头对头”和“尾对尾”型带电畴壁的原子模型（中国科学院物理研究所提供）
铁电材料是一类特殊的晶体材料，内部的正负电荷无需外部电场作用也能自发分离且规则排列，分离方向一致的区域形成铁电畴，畴壁则是不同铁电畴间的界面。以往学界认为三维晶体中的畴壁必然是二维的面，这项研究发现颠覆了这一传统认知。
据介绍，铁电材料在信息存储、传感、人工智能等领域应用潜力巨大。利用一维带电畴壁进行信息存储，有望使存储密度提高约几百倍，理论预计达每平方厘米约20TB，相当于将1万部高清电影或20万段高清短视频存储在一张邮票大小的设备中。
探针台与等待测试的铁电电容器样品（新华社记者金立旺 摄）
用于铁电测试的铁电电容器样品（新华社记者金立旺 摄）
相关论文成果“Observation of one-dimensional charged domain walls in ferroelectric ZrO₂”为题近日发表于Science。中国科学院物理研究所博士后/现鲁东大学副教授钟海，国科大博士生王诗雨（培养单位：中国科学院物理研究所）为共同第一作者。国科大研究生导师，中国科学院物理研究所张庆华副研究员、金奎娟院士和葛琛研究员为共同通讯作者。合作者还包括清华大学谷林教授、中国科学院物理研究所金士锋研究员等。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会、山东省自然科学基金和山东省高等学校青创团队等项目的资助。
