最薄铁电材料为新型节能器件铺平道路

随着电子设备体积变得越来越小，为其供电的材料也需要变得越来越薄。因此，科学家在开发下一代节能电子产品时面临的关键挑战之一就是开发一些材料，它们具有超薄尺寸同时还能具备特殊电子特性。

被称为铁电体的先进材料提供了一种有希望的解决方案，它可以帮助降低手机和电脑中超小型电子器件的功耗。铁电体是一类原子偏离中心排列的材料，形成自发内电荷或极化。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。这让超低功率微电子具有巨大发展前景。

不幸的是，传统铁电材料在厚度低于几纳米时就失去了其内部极化。这意味着它们与当前的硅技术不兼容。这个问题之前阻碍了铁电体与微电子的集成。

但是现在，加州大学伯克利分校的一个研究团队正在美国进行实验。

美国能源部（DOE）阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）发现了一种解决方案，通过在硅上创建有史以来最薄的铁电体和最薄的工作记忆演示，同时解决了这两个问题。

研究小组在只有半纳米厚的超薄二氧化锆层中发现了稳定的铁电性。这相当于一个原子块的大小，大约比人的头发薄20万倍。该团队直接在硅上生长这种材料。他们发现，当二氧化锆（通常是一种非铁电材料）变得非常薄，大约1-2纳米厚时，就会出现铁电现象。

值得注意的是，铁电行为一直在持续，直到接近原子尺度的厚度极限，约为半纳米。这一根本性突破标志着世界上最薄的铁电体面世。对于一种甚至不是典型的块状铁电材料来说，这是令人惊讶的。

研究人员还能够用一个小电压来回切换这种超薄材料中的极化，从而实现了硅上有史以来最薄的工作记忆演示。它还为节能电子产品提供了巨大的前景，特别是考虑到传统的二氧化锆已经应用于目前最先进的硅芯片中。

加州大学伯克利分校博士后研究员Suraj Cheema表示：“这项研究朝着将铁电体集成到大规模微电子领域迈出了关键一步。”

要将这种超薄系统中的铁电行为可视化，需要使用阿贡国家实验室的先进光子源，这是美国能源部科学办公室的用户设施。另一位研究人员、阿贡物理学家John Freeland表示：“X射线衍射让我们更了解铁电性是如何产生的。”

除了直接的技术影响外，这项研究还对设计新的二维材料具有重要意义。

Cheema表示：“简单地将3D材料挤压到其2D厚度极限，可以提供一种简单而有效的方法，来解开各种简单材料中隐藏的现象。这大大扩展了下一代电子产品的材料设计空间，并包括已经与硅技术兼容的材料。”

正如Cheema所指出的那样，仅仅生长几个3D材料的原子层，就有可能产生一类新的2D材料——如原子薄的3D材料——超越传统的石墨烯等2D材料片。研究人员希望这项研究工作将激发对二维3D材料的更多研究。