文 | 青茶

前言

如今数字化越来越深入，存储技术成了科技发展的一大瓶颈，传统存储已经快摸到物理极限，很难满足AI、大数据的需求。

就在这时，中国科学家传来重磅好消息。

中科院物理所团队在《科学》发表成果，在二氧化锆铁电薄膜里，发现了全新的一维带电畴壁，打破了传统认知。

这项突破性成果，会让国产存储实现弯道超车吗？

铁电材料的"魔术"

我们生活中常见的电子设备，无论是手机、电脑还是更复杂的AI芯片，都离不开存储器。

而电子存储器的工作原理，实际上是通过材料的电学特性来保存信息。

铁电材料，作为一种能够通过外部电场改变其极化状态的材料，一直以来被看作是非常适合用于存储的理想材料。每当铁电材料的极化状态发生变化时，信息就得以存储。

然而，传统铁电材料的存储密度有限，难以满足未来对超大容量存储的需求。

传统的铁电材料中，信息存储依赖的是“畴壁”，就是在不同极化区之间的分界线。

这些畴壁通常是二维结构，类似于拼图中的边界线。简单来说，畴壁决定了不同存储区域的信息是否发生变化。

虽然二维畴壁的概念为我们提供了存储的基础，但它的局限性也非常明显：随着存储单元尺寸的减小，畴壁本身的空间占据也变得越来越大，导致存储密度无法进一步提升。

中国科学院物理所的研究团队通过一系列的实验，首次发现，在二氧化锆的铁电薄膜中，畴壁不仅限于二维，而是能够“缩小”成一维结构。

这一发现，颠覆了原有的铁电材料结构理论，打开了新型存储技术的可能性。

通过精细的实验方法，研究人员在极小的尺度下成功制造出了这种一维带电畴壁，宽度仅为2.71埃、厚度为2.55埃，约为人类头发直径的数十万分之一！

这个新发现的畴壁是线状的，而非传统的平面状，这意味着它可以在同样的空间内以更高的密度排列。

这种一维畴壁不仅能够大幅度提升存储单元的密度，还能够减少空间占用，提高存储效率。

对比传统二维畴壁的存储方式，这种一维结构的畴壁具有更加高效的空间利用率，可以容纳更多的信息单元，进而提升整个芯片的存储能力。

传统的二维畴壁存在一个显著的缺点：它们是面状的，占据了较大的表面积，因此限制了在同样大小的芯片上可以安排的存储单元数量。

而一维畴壁则以线状存在，这使得它们可以在一个平面内更加紧凑地排列。

因此，存储单位的数量呈指数级增长，存储密度大大提高。

这种结构上的突破，让研究人员不仅仅停留在理论层面，更为重要的是他们展示了如何通过操控电场来精确控制这些一维畴壁的产生、移动和擦除。

这项技术的可操作性，让这种新型的存储方式更具实际应用价值。

二维畴壁的物理问题

在一维畴壁的发现背后，实际上涉及了一个巨大的物理挑战。

传统理论认为，两个铁电畴之间的界面存在较强的电荷堆积现象，容易造成强烈的静电排斥力，这使得畴壁本身非常不稳定。

换句话说，理论上这些畴壁难以在微观尺度上维持稳定状态。

为了破解这一难题，研究团队通过电子能量损失谱分析，发现了一个巧妙的电荷补偿机制。

当带电畴壁带有正电时，过量的氧离子会聚集到畴壁处，通过负电荷来中和正电荷；反之，当畴壁带有负电时，氧空位的存在就起到了补偿作用。

正是这种特殊的电荷补偿机制，使得原本不稳定的带电畴壁能够稳定存在，并且在一定条件下实现可控的操作。

这一发现并非简单地依靠传统的光学显微镜就能发现的。

为了观察这些微观的带电畴壁，研究团队使用了世界最先进的球差校正透射电子显微镜（STEM）。

这种显微镜可以达到亚埃级的分辨率，意味着它能够直接观察到原子级别的结构。

在这种显微镜的帮助下，研究人员终于能够看到那些细如发丝、一维的带电畴壁。

这种精密的技术使得原本仅在理论上存在的现象，得以在实际中观察到，进而推动了这项研究的深入与应用。

另一个关键突破是，研究团队成功地演示了如何操控这些一维畴壁的产生、移动和擦除。

通过聚焦电子束在样品上施加局部电场，研究人员能够精确地操控畴壁的行为。

这一技术突破，不仅为未来的应用奠定了基础，也证明了这一新型存储方式具有实际操作的可能性。

实际应用面临的挑战

尽管这一发现带来了巨大的理论突破，但如何将其从实验室研究转化为实际应用，仍然面临不小的挑战。

当前，研究团队使用的是激光分子束外延技术，这是一种精密但产能有限的制备方法。

如何在保持畴壁特性不变的前提下，实现大规模的生产，仍然是一个巨大的工程难题。

另外，如何将这些微观结构集成到实际的存储器和逻辑电路中，并确保其在长时间使用中的可靠性和耐久性，也是亟待解决的问题。

为了克服这些问题，研究人员正在进一步优化制备工艺，并尝试新的材料组合，以期能够实现大规模生产。

目前，操控这些一维畴壁的方式依赖的是电子束，这种方法在实际应用中显然不太现实。

因此，如何开发一种基于电极施加电场的操控方案，确保能够在芯片级别实现精准控制，成为未来研究的一个关键方向。

为了实现这一目标，研究团队已经证明了这些带电畴壁对电场的响应性，这为后续的技术优化提供了可能。

通过不断的实验与创新，未来的畴壁操控技术有望进一步完善，推动其向实际应用迈进。

尽管从实验室到市场的道路还需要时间，但这一发现的意义已经超出了存储密度的提升。

它为未来的人工智能芯片、超大规模存储器、以及其他先进电子器件的设计提供了全新的思路。

可以预见，在未来的数十年里，这种一维带电畴壁存储技术可能会成为推动下一代信息技术发展的关键。

结语

从铁电材料的二维畴壁到一维带电畴壁的突破，这项研究不仅是对科学理论的突破，更可能成为未来信息技术发展的关键。

在摩尔定律逐渐逼近物理极限的今天，如何突破存储密度的瓶颈，已经成为信息技术发展的核心问题。

而中国科学家在这方面的突破，为我们展现了一个新的希望。

尽管从实验室研究到大规模应用的过程中仍然面临许多挑战，但这项研究无疑为未来人工智能芯片和存储器的进步提供了坚实的基础。