有史以来最薄的铁电材料为新型节能器件铺平了道路

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，为它们提供动力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以超薄尺寸保持特殊电子特性的材料。

被称为铁电的先进材料提供了一种有前途的解决方案，有助于降低手机和计算机中发现的超小型电子设备的功耗。铁电体-铁磁体的电类似物-是一类材料，其中一些原子排列在偏离中心的位置，导致自发的内部电荷或极化。当科学家将材料暴露在外部电压下时，这种内部极化可以反转其方向。这为超低功耗微电子技术提供了巨大的前景。

不幸的是，传统的铁电材料失去了其内部极化，厚度低于几纳米。这意味着它们与当前的硅技术不兼容。这个问题以前曾阻止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)阿贡国家实验室进行实验，发现了一种解决方案，通过创建有史以来最薄的铁电和最薄的硅工作存储器演示来同时解决这两个问题。

在发表在《科学》杂志上的一项研究中，研究小组在只有半纳米厚的二氧化锆超薄层中发现了稳定的铁电性。这是单个原子构建块的大小，比人类的头发薄约20万倍。该团队直接在硅上种植了这种材料。他们发现铁电性出现在二氧化锆中-通常是一种非铁电材料-当它变得非常薄，厚度约为1-2纳米时。

值得注意的是，铁电行为继续保持其接近原子尺度的厚度极限，大约半纳米。这一根本性突破标志着世界上最薄的铁电体。对于一种甚至不典型的铁电材料来说，这是令人惊讶的。

研究人员还能够以小电压来回切换这种超薄材料中的极化，从而实现了有史以来最薄的工作存储器在硅上的演示。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。

“这项工作朝着将铁电体整合到高度规模的微电子学中迈出了关键的一步，”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。

可视化这种超薄系统的铁电行为需要使用Argonn的高级光子源，这是一个美国能源部科学办公室的用户设施。“X射线衍射为这种铁电性如何出现提供了必要的见解，”该研究的另一位作者阿贡物理学家约翰弗里兰说。

除了直接的技术影响之外，这项工作还对设计新的二维材料具有重要意义。

“只需将3D材料压缩到其2D厚度极限，就可以直接而有效地解锁各种简单材料中隐藏的现象，”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所指出的那样，仅仅增加3D材料的几个原子层就可以为一类新的2D材料(原子薄的3D材料)提供潜力，这些材料超越了传统的2D材料片，如石墨烯。研究人员希望这项工作将激励对二维3D材料进行更多研究，这些材料表现出与节能电子产品相关的紧急电子现象。

这项工作由加州大学伯克利分校的奇玛和赛义夫·萨拉赫丁以及共同的第一作者尼尔曼·尚克和许尚琳领导。在阿贡先进光子源的光束线33-BM-C上，研究人员与阿贡物理学家弗里兰和张展合作，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性到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，与科学家帕德拉克·谢弗和吉姆·西斯顿合作，使用软X射线和透射电子显微镜研究了该材料的铁电晶体结构。