最薄的铁电材料为新型节能设备铺平了道路

在小尺度上发现有趣的材料行为可以减少计算的能源需求。随着电子设备变得越来越小，为其供电的材料需要变得越来越薄。正因为如此，科学家在开发下一代节能电子产品时面临的主要挑战之一是发现能够在超薄尺寸下保持特殊电子特性的材料。

被称为铁电体的先进材料提供了一种很有前途的解决方案，可以帮助降低手机和计算机中超小型电子设备的功耗。铁电体——铁磁体的电模拟物——是一类材料，其中一些原子偏离中心排列，导致自发的内部电荷或极化。当科学家将材料暴露于外部电压时，这种内部极化可以反转其方向。这为超低功耗微电子提供了巨大的希望。

不幸的是，传统的铁电材料在大约几纳米的厚度以下失去了它们的内部极化。这意味着它们与当今的硅技术不兼容。这个问题以前阻止了将铁电体集成到微电子学中。

但现在，来自加州大学伯克利分校的一组研究人员在美国能源部(DOE)的阿贡国家实验室进行实验，找到了一种解决方案，通过创造有史以来最薄的铁电体和最薄的工作演示，同时解决了这两个问题。硅上的内存。

在发表在《科学》杂志上的一项研究中，研究小组在仅半纳米厚的超薄二氧化锆层中发现了稳定的铁电性。那是单个原子构建块的大小，比人类头发细约200,000倍。该团队直接在硅上生长这种材料。他们发现，当二氧化锆(通常是一种非铁电材料)生长得极薄(大约1-2纳米厚)时，会出现铁电性。

值得注意的是，铁电行为持续到其接近原子尺度的厚度极限，大约为半纳米。这一根本性突破标志着世界上最薄的铁电体。这对于一种在其块体形式中甚至不是典型的铁电材料的材料来说是令人惊讶的。

研究人员还能够用很小的电压来回切换这种超薄材料的极化，从而实现了硅上工作记忆的最薄演示。它还为节能电子产品提供了巨大的希望，特别是考虑到传统的二氧化锆已经存在于当今最先进的硅芯片中。

该研究的第一作者、加州大学伯克利分校的博士后研究员SurajCheema说：“这项工作朝着将铁电体集成到高度规模的微电子学中迈出了关键一步。”

可视化这种超薄系统的铁电行为需要使用美国能源部科学办公室用户设施Argonne的高级光子源。该研究的另一位作者、阿贡物理学家约翰弗里兰说：“X射线衍射提供了对这种铁电性如何出现的必要洞察。”

除了直接的技术影响外，这项工作还对设计新的二维材料具有重要意义。

“只需将3D材料挤压到2D厚度极限，就可以提供一种直接而有效的途径来解开各种简单材料中的隐藏现象，”Cheema说。“这极大地扩展了下一代电子产品的材料设计空间，包括已经与硅技术兼容的材料。”

正如Cheema所指出的，仅生长几个原子层的3D材料就可以为新型2D材料(原子级薄3D材料)提供潜力，这种材料超越了石墨烯等传统的2D材料片材。研究人员希望这项工作能够激发对二维3D材料的更多研究，这些材料表现出与节能电子产品相关的新兴电子现象。

这项工作由加州大学伯克利分校的Cheema和SayeefSalahuddin以及共同第一作者NirmaanShanker和Shang-LinHsu领导。在阿贡高级光子源的33-BM-C光束线上，研究人员与阿贡物理学家Freeland和ZhanZhang合作，采用同步加速器X射线吸收光谱和X射线衍射来研究铁电体向原子尺度的结构演变并探索其电子起源。

在美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源和分子铸造厂，与科学家PadraicShafer和JimCiston合作，使用软X射线和透射电子显微镜研究了材料的铁电晶体结构。