納米級手段如何推動先進內存存儲材料進步

下一代技術，比如前沿的內存存儲解決方案以及受大腦啓發的神經形態計算系統，差不多能觸及我們生活的方方面面——從日常所用的小物件到應對重大全球挑戰的辦法。

這些進步依靠特殊材料，其中就有鐵電材料——這種材料的電性能能夠切換，能提升性能並提高能源效率。

能源部橡樹嶺國家實驗室的科學家帶領的一個研究團隊，開發出了一種能在鐵電體中創建精確原子排列的新技術，給推進強大的新技術搭建了一個有力的框架。該論文在《自然納米技術》雜誌上發表。

“對構成這些材料的原子和電偶極子進行局部修改，這對於新的信息存儲、替代計算方法或者能在高頻下轉換信號的設備來說，極其重要。”橡樹嶺國家實驗室的馬蒂·切卡（Marti Checa）說道，他是這個項目的首席研究員。“我們的方法通過推動把原子取向按照需求重新排列成特定的構型（被稱作拓撲極化結構）來推動創新，這些構型可能並非自然形成的。

在這種情形下，極化指的是材料中那種被叫做鐵電偶極子的小小的內部永久電場的方向。

爲了構建能夠依照需求激活的複雜結構，該團隊的技術運用了一種跟超細鉛筆似的電觸筆。該觸筆可以通過將鐵電體中的電偶極子定向到選定的方向，輕鬆改變它們，就像孩子們在磁性繪圖板上創作圖像一樣。

正如城市的佈局決定着人們的通行方式，精心設計的拓撲結構賦予材料獨特的性能。

這種觸針爲創造具有量身定製特性的材料帶來了令人興奮的機遇，這些材料對於低功率納米電子學以及 6G 時代至關重要的高速寬帶通信而言堪稱理想之選。

從 5G 標準向第六代移動通信技術的過渡，將在通信網絡的設計和使用方面帶來重大的進步和變革。

當今的經典計算機以“是”和“否”的直白語言進行通信，用 1 和 0 表示。這種二進制系統依賴於通過微小電路的電流。然而，由於寫入和讀取數據的需求，這種二選一的框架具有侷限性且能耗高。

相比之下，拓撲極化結構能夠迅速且有效地改變其極化狀態，爲切換提供高穩定性且能耗低。

這種極化的迅速變化提升了鐵電體的價值，提高了各類設備的速度、效率和通用性。

此外，它們能夠在無電源的情況下實現數據留存，爲開發高密度、節能的計算系統鋪平道路。

科學家們正在探索能夠按照 6G 時代寬帶通信的要求更快處理信息的材料。由於存在固有的亞太赫茲共振，這些結構還能被應用於高頻運行的設備。亞太赫茲共振指的是材料或系統內頻率低於 1 太赫茲（即 1 萬億赫茲）的自然振盪或振動。

這樣的進展能夠顯著提升未來計算系統的處理能力和效率，讓其能夠解決更爲複雜的問題，並以更強的適應性和更快的速度執行任務——這些能力是傳統計算機難以達成的。

最後，這些結構能夠允許對電子和光學特性予以精確控制，所以可用於可調諧的光電器件。

由橡樹嶺國家實驗室主導的研究揭示了一種通常被稱作 PSTO 的先進鐵電陶瓷材料是如何在電觸針的引導下，通過多步過程來改變其極化的。

PSTO，也就是鈦酸鍶鉛，從元素構成上來說，由鉛、鍶、鈦和氧組成。

有一種被稱作“尾隨場”的概念，通常會被用來解釋鐵電體爲何會在材料平面內重新調整其微小的電偶極子——也就是那些小的正負電荷——以迴應沿表面移動的電場。

然而，研究團隊提出了另一種替代方案，指出存在一箇中間的面外狀態，用於描述材料從一種極化狀態向另一種極化狀態轉變時所出現的階段。

這個階段是極化方向的短暫轉變，當電場的垂直部分瞬間讓電偶極子偏離表面平面，在鐵電材料的薄層中發生極化變化時就會出現。

科學家們對於中間面外狀態的洞察，讓精確、按需操縱超疇結構成爲了可能。

超疇結構是鐵電材料（比如 PSTO）內微小區域的一種大規模模式，每個區域的電偶極子排列都不一樣。

這項研究還展現出了檢查彈性和靜電能量之間微妙平衡的能力。

此外，研究人員對受挫超邊界的容納狀況進行了探索

在材料中，不同電學特性的區域相互交匯之處。由於存在相互衝突的力或限制，這些邊界難以輕易對齊或調整來最小化能量消耗，所以在自然界中鮮少出現。然而，按需創建新的拓撲極化結構使研究人員能夠穩定這些受挫的超邊界並研究其獨特性質。

通過整合從相關顯微鏡技術所收集的有關鐵電材料的結構和功能數據，研究人員創建出了詳細的相場模型，以預測材料在各種條件下的表現。這種能力有助於理解和優化材料的穩定性和極化。

“我們的項目開發出了先進的方法，能夠在納米級精度上精確地對材料進行圖案化，”切卡說道。

“通過將專門設計的電觸針尖端運動與自動化實驗裝置相融合，我們已然展示出了探索此前無法獲取的鐵電材料的新的和複雜狀態的能力。這一成就的一個關鍵方面是，它允許更好地理解和控制這些材料的獨特性質。”