核心观点 - 中国科研团队在铁电材料领域取得重大突破，于萤石结构氧化锆中发现并证实了原子级尺度的“一维带电畴壁”，该发现突破了传统二维畴壁的存储密度极限，并揭示了其独特的“极化-离子”耦合传输特性，为构建高能效的类脑计算芯片与人工智能器件开辟了全新的物理路径[1][3][4] 技术突破与发现 - 研究团队打破了畴壁是二维面状拓扑缺陷的经典认知，在氧化锆中发现畴壁被限制在极性层内部，物理压缩成了原子级尺度的一维“线”[9][10][11] - 这些一维结构是特殊的“头对头”和“尾对尾”带电畴壁，其宽度和厚度仅为一个晶胞大小，具体尺寸为厚2.55Å、宽2.7Å，达到了物理尺寸的极限[3][12][15] - 电子束诱导实验证实，在电场驱动下，这些一维畴壁可以像滑块一样在晶格中独立移动，并伴随着氧离子的迁移，表现为极化-离子的强耦合效应[18][19][21] 材料特性与性能 - 该材料中的一维畴壁结构具有高度活性，变身为一条高效的“离子传输高速公路”，其室温下的氧离子电导率甚至优于钇稳定氧化锆等传统固体电解质[22] - 利用这种原子级一维畴壁进行数据存储，其理论存储密度可达每平方厘米20TB，相当于在一张邮票大小的设备中存储1万部高清电影[24] - 极高的存储密度结合独特的离子传输特性，契合了类脑计算对高能效、多级存储及突触行为模拟的需求[24] 稳定机制与微观机理 - 研究团队利用多层电子叠层成像技术进行观测，该技术将空间分辨率提升到了约28皮米，突破了传统透射电镜对轻元素成像的瓶颈[27][28] - 高能畴壁的稳定存在依赖于晶格内部自发的非化学计量比电荷补偿机制，即通过局部引入高浓度的点缺陷作为“电荷胶水”来维持结构平衡[29][34] - 在带正电的“头对头”交界处，晶格容纳了大量过量的间隙氧离子，实验观测到典型区域每个亚晶胞中额外“挤”入的氧原子数量达到0.771个[30] - 在带负电的“尾对尾”交界处，晶格表现为氧空位的聚集，典型区域每个亚晶胞中的氧空位数量高达0.8个左右[31][32] - 氧离子占据率在几个埃米的范围内发生剧烈突变，这种高浓度的缺陷聚集不仅屏蔽了极化电荷使结构稳定，也提供了可自由流动的电荷载体，使材料成为优异离子导体[36] 研究团队与发表 - 该研究由北京凝聚态物理国家研究中心主导，共同第一作者为中科院物理所出站博士后、鲁东大学副教授钟海以及中科院物理所博士生王诗雨[37] - 通讯作者由金葵娟院士、葛琛研究员和张庆华副研究员共同担任[38] - 研究成果论文发表于最新一期《Science》期刊[1][41]

中国团队发现铁电材料新结构 将助力极限密度人工智能器件开发 中新网北京1月23日电 (记者 孙自法)在当今物质科学和信息技术交叉融合前沿的铁电材料与畴壁研究领 域，中国科学家团队最新研究发现一维带电畴壁新结构，补全了铁电物理的一块拼图，这不仅颠覆了人 们对于畴壁结构的传统认知，也为开发具有极限密度的人工智能器件奠定重要科学基础。 这项物理学基础前沿的重要研究突破，由中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心金奎娟 院士、葛琛研究员、张庆华副研究员联合团队共同完成，他们通过激光法成功创制自支撑萤石结构铁电 薄膜，并利用先进的电子显微镜技术对薄膜中的一维带电畴壁进行原子尺度的观测和调控。北京时间1 月23日凌晨，相关成果论文在国际学术期刊《科学》(Science)上线发表。 何为铁电材料 研究团队介绍说，在物质世界中存在一类特殊的晶体材料，其内部由许多微小的"电学指南针"组成，它 们不是指向南北，而是指示正负电荷中心分离的方向，即自发极化的方向。物理学家称这种即使没有外 部电场也自发地存在正负电荷分离且规则排列的材料为铁电材料。 研究团队指出，他们从2018年便开始萤石结构铁电材料的研究，进行材料制备上的创 ...

核心观点 - 中国科学院物理研究所团队在铁电材料领域取得突破性进展，成功创制并观测、调控了自支撑萤石结构铁电薄膜中的一维带电畴壁，该成果颠覆了传统对畴壁维度的认知，为开发超高密度信息存储和人工智能器件提供了新的科学基础[1][7] 研究成果概述 - 研究团队通过激光法创制了自支撑萤石结构铁电薄膜，并利用先进电子显微镜技术在原子尺度上观测和调控了薄膜中的一维带电畴壁，相关成果于1月23日发表于国际顶级期刊《科学》[1] - 该研究在萤石结构铁电材料二氧化锆中，发现了一维带电畴壁结构，其厚度和宽度均达到埃级尺寸，约为人类头发直径的数十万分之一[7] - 研究揭示了畴壁的稳定机制：畴壁处过量的氧离子或氧空位充当了“胶水”，稳定了这些带电结构[7] - 团队利用电子辐照产生的局部电场，成功演示了对这些一维带电畴壁的人工操控，包括产生、运动和擦除[7] 铁电材料与畴壁基础原理 - 铁电材料内部存在自发极化的“电学指南针”，其极化方向可通过外部电场反转，这一特性使其在信息存储、传感和人工智能领域具有巨大应用潜力[3] - 铁电材料中极化方向一致的区域称为“铁电畴”，分隔不同畴的界面即为“畴壁”[4] - 传统认知认为，在三维铁电晶体中，畴壁是二维的面状结构，尺寸远小于铁电畴本身，并由此发展出“畴壁纳米电子学”，旨在通过畴壁工程提升器件性能[4] 萤石结构铁电材料的特性与机遇 - 萤石结构铁电材料（如二氧化锆）的三维晶体结构由极性晶格层和非极性晶格层交替排列组成，铁电极化被限制在分离的极性层中[7] - 这种结构使得原本三维的铁电畴转变为近乎独立的二维结构，从而为存在一维的带电畴壁提供了可能[7] - 该研究成果颠覆了畴壁必然是二维面状结构的传统认知[7]