让电子设备存储密度更高、功耗更低，一直是科技研发的核心追求，而铁电材料正是实现这一目标的关键候选者。铁电材料就像自带“电极性”的微小元件，内部正负电荷中心会自发分离形成固定极化方向，且该方向能被外部电场轻松反转，这一特性让它在信息存储、人工智能器件中极具应用价值。

  近日，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，在这一领域取得重要突破，相关成果1月23日发表于《科学》，颠覆了学界对铁电材料内部结构的传统认知。

  铁电魔方示意图。每个小方块类比原子晶格，方块的颜色类比极化状态，相同颜色的小方块组成了畴，不同畴之间的界面即为畴壁（绿色高亮显示）

  要理解这项突破的意义，还得从铁电材料的内部构造说起。它的内部存在一个个“极化区域”，学界称“铁电畴”，就像分色块的魔方，每个色块是铁电畴，不同色块的交界就是“畴壁”，长期以来科学家都认为，三维铁电晶体中的畴壁必然是二维平面。

  基于这一认知，研究人员一直试图通过调控二维畴壁优化器件性能，但随着存储密度和算力需求飙升，构筑极限尺寸的畴壁新物态成为亟待破解的难题。此时萤石结构铁电材料带来了转机：它的三维晶体由极性与非极性晶格层交替排列，铁电极化被限制在独立极性层中，原本的三维铁畴“魔方”变成了分离的二维“拼图”。这一特殊结构让科研人员大胆猜想：这里是否存在一维带电畴壁？其稳定机制又是什么？

  萤石结构铁电材料ZrO2中的一维带电畴壁示意图。铁电ZrO2结构的卡通示意图以及限制在二维极性层内的“头对头”和“尾对尾”型带电畴壁的原子模型

  要找到这个隐藏在铁电“魔方”中的一维奥秘，并非易事。研究团队从2018年就开始了萤石结构铁电材料的探索。由于这类材料本征的多晶多相性，常规方法难以获得理想的单晶薄膜。为此，团队创新采用激光分子束外延方法，生长出仅十个晶胞层厚度（约5纳米）的萤石结构铁电薄膜，再通过化学手段让薄膜脱离衬底，成功创制出可用于新物态研究的自支撑萤石铁电薄膜平台。

  有了合适的“研究样本”，精准观测成为下一步关键。团队与合作者利用先进的电子显微学技术，实现了对氧原子等轻元素原子的精确定量表征，相当于看清了薄膜中每一个原子的具体位置。正是这种原子尺度的观测，让一维带电畴壁的真面目浮出水面：这些畴壁被约束在极性晶格层中，厚度和宽度均达到埃级尺寸，也就是人类头发直径的数十万分之一。而畴壁处过量的氧离子或氧空位，就像特殊的“胶水”，让这些带电畴壁得以稳定存在。

  更令人振奋的是，研究团队还实现了对这些一维带电畴壁的人工操控。他们利用电子辐照产生的局部电场，成功演示了畴壁的产生、运动和擦除。这意味着，未来有望通过精准调控这些微观“导线”，构建出性能更优越的微观电路。

  从科学意义上看，这项研究补全了铁电物理的一块重要拼图。它打破了三维晶体中畴壁必为二维结构的传统认知，阐明了萤石铁电体中极化切换与氧离子传输的内在耦合关系，为铁电物理研究开辟了新方向。

  在应用层面，其潜力同样值得期待。当前商用的非易失存储器件，信息记录单元多为10纳米量级的“面”，即使是常规铁电畴壁存储器，记录单元也是纳米级的“线”。而这项研究中的一维带电畴壁，从投影视角看是长宽均约0.25纳米的“点”。这种从面到线再到点的转变，意味着存储密度将实现指数级提升——理论上每平方厘米可存储约20TB数据，相当于把1万部高清电影或20万段高清短视频装进一张邮票大小的设备中。

  据介绍，这些一维带电畴壁在三年前制备的样品中仍稳定存在，且无需机械部件，对结构应变不敏感，具备良好的稳定性和抗物理冲击能力。未来，团队将进一步研究如何提升其响应速度，推动相关技术走向实际应用。（光明网记者宋雅娟）