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中國鐵電材料研究獲重大突破,為下一代人工智能器件奠定了全新物理基礎(chǔ)!
中科院物理研究所的最新成果,揭開了螢石結(jié)構(gòu)氧化鋯中原子級“一維帶電疇壁”的神秘面紗,論文登上了最新一期Science。
團隊通過原子級成像證實,這些疇壁的寬度和厚度僅為一個晶胞大小,被限制在二維極性層內(nèi)部,達到了物理尺寸的極限。
該發(fā)現(xiàn)揭示了氧離子“自我平衡”的電荷屏蔽機制,不僅突破了傳統(tǒng)二維疇壁的存儲密度瓶頸,還發(fā)現(xiàn)了這種一維結(jié)構(gòu)具備獨特的“極化-離子”耦合傳輸特性。
這種特性的揭示,為構(gòu)建高能效的類腦計算芯片與人工智能器件開辟了全新的物理路徑。
突破鐵電材料存儲密度極限
在了解這項成果之前,首先了解一下什么是鐵電材料。
鐵電材料是指一類具有自發(fā)極化,且極化方向可由外電場翻轉(zhuǎn)的晶體材料。
如果用更通俗的語言來描述,可以將鐵電材料想象成內(nèi)部充滿了微小的“電學(xué)指南針”,它們并不指向地理的南北,而是指示著正負電荷分離的方向。
為了維持能量最低的穩(wěn)定狀態(tài),這些“指南針”通常會成群結(jié)隊地指向同一方向,形成鐵電疇(Domain)。
如果將鐵電材料比作一個魔方,那么顏色相同的小方塊區(qū)域就是鐵電疇,而分隔不同顏色區(qū)域的界面則是疇壁。
在經(jīng)典的凝聚態(tài)物理理論中,正如房間的隔斷墻一樣,疇壁一直被定義為一種二維的面狀拓撲缺陷。
然而,中國科學(xué)院物理研究所的研究團隊在螢石結(jié)構(gòu)氧化鋯(ZrO2)中打破了這一固有認知。
他們發(fā)現(xiàn),受限于該材料特殊的亞晶胞層狀結(jié)構(gòu),這堵原本寬闊的二維“墻”被限制在極性層內(nèi)部,物理壓縮成了原子級尺度的一維“線”。
而且這些一維結(jié)構(gòu)并非普通的“墻”,而是特殊的“頭對頭”(Head-to-Head)和“尾對尾”(Tail-to-Tail)帶電疇壁。
所謂“頭對頭”,是指兩側(cè)的極化方向像兩列火車迎面相撞一樣匯聚;而“尾對尾”則恰好相反。
在傳統(tǒng)認知中,這類結(jié)構(gòu)因為局部聚集了大量電荷,能量極高且極不穩(wěn)定,很難自然存在。
但在氧化鋯中,它們卻被穩(wěn)穩(wěn)地壓縮在厚2.55?(10^-10m)、寬2.7?的空間內(nèi),在物理尺寸上已觸及單個晶胞的極限。
這相當(dāng)于將宏觀的墻壁極限壓縮成了一根只有頭發(fā)絲數(shù)十萬分之一粗細的納米線。
并且,這種極度受限的一維結(jié)構(gòu)并非靜止的缺陷,而是具有高度活性的功能單元。
電子束誘導(dǎo)實驗證實,在電場驅(qū)動下,這些一維疇壁可以像滑塊一樣在晶格中獨立移動。
更關(guān)鍵的是,這種移動表現(xiàn)為極化-離子的強耦合效應(yīng),也就是說,疇壁的位移會伴隨著氧離子的遷移。
這種機制使得該材料變身為一條高效的“離子傳輸高速公路”,其室溫下的氧離子電導(dǎo)率甚至優(yōu)于釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)等傳統(tǒng)固體電解質(zhì)。
這一特性為突破算力瓶頸帶來了巨大的想象空間。
利用這種原子級的一維疇壁進行數(shù)據(jù)存儲,其理論密度可達每平方厘米20TB,相當(dāng)于在一張郵票大小的設(shè)備中存儲1萬部高清電影。
這種極高的存儲密度,結(jié)合其獨特的離子傳輸特性,契合了類腦計算對高能效、多級存儲及突觸行為模擬的需求,為未來人工智能硬件的物理實現(xiàn)提供了全新的賽道。
亞埃級成像揭示穩(wěn)定存在背后奧秘
然而,要將這條“離子高速公路”真正鋪設(shè)開來,必須先解決一個橫亙在經(jīng)典物理學(xué)面前的難題——
從理論角度來看,這種一維帶電疇壁屬于極高能的靜電不穩(wěn)定結(jié)構(gòu),巨大的去極化場本應(yīng)導(dǎo)致其瞬間解體,根本無法維持穩(wěn)定。
為了解開這個“不可能存在”的謎題,研究團隊深入原子世界進行了探究。
為此,團隊首先制備了厚度僅為5納米的懸空薄膜,利用目前最先進的多層電子疊層成像技術(shù)(MEP)進行觀測。
這項技術(shù)突破了傳統(tǒng)透射電鏡難以對氧等輕元素進行高襯度成像的物理瓶頸,將空間分辨率提升到了約28皮(10^-12米)。
這種亞埃級的成像能力使得研究人員不僅能夠清晰分辨晶格中的氧原子柱,甚至可以通過強度分析定量計算出每個原子柱中的氧含量。
通過這種極限尺度的定量表征,團隊終于揭示了讓一維疇壁“起死回生”的微觀機理,即晶格內(nèi)部自發(fā)的非化學(xué)計量比電荷補償機制。
簡單來說,這些高能疇壁并非獨自對抗靜電斥力,而是通過在局部引入高濃度的點缺陷作為“電荷膠水”來維持結(jié)構(gòu)平衡。
具體而言,在帶正電的“頭對頭”極化交界處,晶格容納了大量過量的間隙氧離子(Interstitial Oxygen)。
以實驗觀測到的典型區(qū)域(CDW2)為例,每個亞晶胞中額外“擠”入的氧原子數(shù)量達到了0.771個。這意味晶格強行將過量的帶負電氧離子“塞”進了原本狹小的間隙中,利用這些額外的負電荷精準(zhǔn)中和了疇壁聚集的正束縛電荷。
反之,在帶負電的“尾對尾”交界處,晶格則表現(xiàn)為氧空位(Oxygen Vacancies)的聚集。
數(shù)據(jù)表明該區(qū)域的氧信號強度顯著降低,每個亞晶胞中的氧空位數(shù)量高達0.8個左右(如CDW1區(qū)域為0.851個) 。
這說明晶格主動“剔除”了部分氧原子,留下了大量帶正電的空位缺陷,這些正電中心有效地屏蔽了疇壁的負束縛電荷,從而大幅降低了體系的靜電能。
這種原子層面的“多退少補”機制極其精準(zhǔn),在僅僅幾個埃米的范圍內(nèi),氧離子的占據(jù)率發(fā)生了劇烈的突變。
正是這種高濃度的缺陷聚集,不僅屏蔽了極化產(chǎn)生的束縛電荷,使一維結(jié)構(gòu)得以穩(wěn)定存在,同時也解釋了為何該材料能成為優(yōu)異的離子導(dǎo)體——
因為那些為了維持平衡而大量富集的間隙氧和氧空位,恰恰就是可以在晶格中自由流動的電荷載體,它們將原本阻礙傳導(dǎo)的“墻”,徹底改造為了離子高速流通的“管”。
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