中国网/中国发展门户网讯 近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心金奎娟院士、葛琛研究员、张庆华副研究员联合研究团队通过激光法创制了自支撑萤石结构铁电薄膜，并利用先进的电子显微镜技术对薄膜中的一维带电畴壁进行了原子尺度的观测和调控。研究发现这些带电畴壁被约束在极性晶格层中，厚度和宽度均具有埃级尺寸（约为人类头发直径的数十万分之一），畴壁处过量的氧离子或氧空位充当了黏结的“胶水”稳定了这些带电的畴壁。研究团队利用电子辐照产生的局部电场演示了对这些一维带电畴壁的人工操控。这一研究成果颠覆了人们对于畴壁结构的传统认知，并为开发具有极限密度的人工智能器件提供了科学基础。相关成果发表于《Science》。

在物质世界中存在一类特殊的晶体材料，它的内部由许多微小的“电学指南针”组成，这些“指南针”不是指向南北，而是指示正负电荷中心分离的方向，即自发极化的方向。这种即使没有外部电场也自发地存在正负电荷分离且规则排列的材料被称为铁电材料，它们的极化方向可以通过施加外部电场来反转。像指南针能够吸引铁质金属一样，铁电材料中的这些“电学指南针”也能够吸引附近物质中的电荷。基于它们的这一特性，铁电材料在信息存储、传感、人工智能等领域都具有巨大的应用潜力。

出于降低系统能量的需求，铁电材料中的“指南针”并非全部指向同一极化方向，而是分成了极化方向一致的“铁电畴”和分隔不同铁电畴的“畴壁”。一块铁电材料就像一个魔方，当所有小方块颜色相同时魔方便是无畴壁的单一铁电畴；当不同颜色的小方块（即不同极化取向的铁电畴）组合在一起时它们的界面就是畴壁。如果两个铁电畴的同一极拼在一起，它们之间的畴壁便会由于电荷聚集而难以稳定，需要一些特殊的“胶水”（即电荷补偿机制）将它们“粘”在一起。而也正是由于这些特殊“胶水”的存在，使得带电畴壁通常具有迥异于铁电畴的物理特性。同时，由于畴壁被用来分隔不同的铁电畴，人们通常认为在三维的铁电晶体中畴壁必然是二维的面，具有远小于畴的尺寸。科学家们据此提出了畴壁纳米电子学，希望基于畴壁工程来大幅提升器件性能。

铁电魔方示意图。每个小方块类比原子晶格，方块的颜色类比极化状态，相同颜色的小方块组成了畴，不同畴之间的界面即为畴壁（绿色高亮显示）。

自然界是否有合适的材料去构建超小型铁电畴壁从而提升存储密度呢？萤石结构铁电材料的出现带来了新机遇，它的三维晶体结构是由极性晶格层和非极性晶格层交替排列组成。铁电极化被限制在分离的极性晶格层中，而且各极性晶格层几乎是完全独立的，因此原本的三维铁畴“魔方”变成了分离的二维铁畴“拼图”。据此，在这种材料中可能存在一维的带电畴壁结构。

据介绍，研究团队从2018年便开始了萤石结构铁电材料的研究，初始目标是获得外延体系下的单晶薄膜，并以其作为铁电物理机制和新物态研究的材料平台。然而，受限于萤石结构材料体系本征的多晶多相性，团队发现寻常的方法始终无法达到预期的目标，因此进行了材料制备上的创新。研究团队利用激光分子束外延方法在基底上生长了仅十个晶胞层厚度的萤石结构铁电薄膜（~ 5 nm），利用化学手段破坏薄膜与衬底的连接使它们能够从衬底上脱离并转移，结合电子显微技术能够在几十纳米区域内构建出理想的模型物理体系。创制的自支撑萤石铁电薄膜成为开展新物态研究的良好材料平台。团队与合作者利用当前先进的电子显微学技术，对氧原子这种轻元素原子进行了精确定量表征，实现了对这些纳米薄膜晶体结构的全方位原子级观察。正是这些新材料和新方法使研究团队能够发现一维带电畴壁这种新物态。

据悉，该研究创新点是通过维度限制设计思路在三维晶体里寻找到了一维带电畴壁新物态，补全了铁电物理的一块拼图。该工作的意义体现在两个层面：科学层面，这个工作的结果打破了人们对于三维晶体中畴壁为本征二维结构的传统认知，阐明了萤石铁电体中极化切换与氧离子传输之间的内在耦合关系；应用层面，埃级尺寸的畴壁单元预期能极大地提升信息存储密度，通过在半个单胞内控制一维畴壁的写入、驱动和擦除，能实现模拟计算，这为开发具有极限密度的人工智能器件载体提供了科学基础。