最薄鐵電材料為新型節能器件鋪平道路

隨著電子設備體積變得越來越小，為其供電的材料也需要變得越來越薄。因此，科學家在開發下一代節能電子產品時面臨的關鍵挑戰之一就是開發一些材料，它們具有超薄尺寸同時還能具備特殊電子特性。

被稱為鐵電體的先進材料提供了一種有希望的解決方案，它可以幫助降低手機和電腦中超小型電子器件的功耗。鐵電體是一類原子偏離中心排列的材料，形成自發內電荷或極化。當科學家將材料暴露在外部電壓下時，這種內部極化可以反轉其方向。這讓超低功率微電子具有巨大發展前景。

不幸的是，傳統鐵電材料在厚度低于幾納米時就失去了其內部極化。這意味著它們與當前的硅技術不兼容。這個問題之前阻礙了鐵電體與微電子的集成。

但是現在，加州大學伯克利分校的一個研究團隊正在美國進行實驗。

美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）發現了一種解決方案，通過在硅上創建有史以來最薄的鐵電體和最薄的工作記憶演示，同時解決了這兩個問題。

研究小組在只有半納米厚的超薄二氧化鋯層中發現了穩定的鐵電性。這相當于一個原子塊的大小，大約比人的頭發薄20萬倍。該團隊直接在硅上生長這種材料。他們發現，當二氧化鋯（通常是一種非鐵電材料）變得非常薄，大約1-2納米厚時，就會出現鐵電現象。

值得注意的是，鐵電行為一直在持續，直到接近原子尺度的厚度極限，約為半納米。這一根本性突破標志著世界上最薄的鐵電體面世。對于一種甚至不是典型的塊狀鐵電材料來說，這是令人驚訝的。

研究人員還能夠用一個小電壓來回切換這種超薄材料中的極化，從而實現了硅上有史以來最薄的工作記憶演示。它還為節能電子產品提供了巨大的前景，特別是考慮到傳統的二氧化鋯已經應用于目前最先進的硅芯片中。

加州大學伯克利分校博士后研究員Suraj Cheema表示：“這項研究朝著將鐵電體集成到大規模微電子領域邁出了關鍵一步。”

要將這種超薄系統中的鐵電行為可視化，需要使用阿貢國家實驗室的先進光子源，這是美國能源部科學辦公室的用戶設施。另一位研究人員、阿貢物理學家John Freeland表示：“X射線衍射讓我們更了解鐵電性是如何產生的?！?/p>

除了直接的技術影響外，這項研究還對設計新的二維材料具有重要意義。

Cheema表示：“簡單地將3D材料擠壓到其2D厚度極限，可以提供一種簡單而有效的方法，來解開各種簡單材料中隱藏的現象。這大大擴展了下一代電子產品的材料設計空間，并包括已經與硅技術兼容的材料。”

正如Cheema所指出的那樣，僅僅生長幾個3D材料的原子層，就有可能產生一類新的2D材料——如原子薄的3D材料——超越傳統的石墨烯等2D材料片。研究人員希望這項研究工作將激發對二維3D材料的更多研究。