《自然》雜誌:科學家在原子尺度上發現鐵電性

2020-12-05 量子認知

鐵電性(英語:Ferroelectricity)指某些材料存在自發的電極化,並在外加電場的作用下可以被反轉的特性。該術語被用於類比鐵磁性(Ferromagnetism),其中,材料表現出永久磁性。當鐵電性於1920年被發現時,鐵磁性就已經被知道。其術語的前綴意思是鐵(ferro),只是被用來描述屬性,事實上大多數鐵電性材料不含有鐵。

鐵電材料的非線性性質廣泛應用於製造電容可調的與其他電容器相比體積小的鐵電電容器。帶有滯歸特性的自發極化的鐵電材料可以用來製造存儲器,用來製造電腦和射頻識別(RFID)卡。其輕薄柔軟的電特性材料用於當前許多穿戴電子設備。

隨著電子設備變得越來越小,為它們供電的技術設備也需要變得越來越小、越來越薄。長期以來,科學家們在開發電子技術時面臨的主要挑戰之一,就是尋找可以在超薄尺寸下性能表現良好的材料。

現在,加州大學伯克利分校的研究人員認為他們可能對此找到了解決方案。研究人員設法在矽上生長了一種極為超薄的材料,該材料具有獨特的鐵電特性。該研究發現發表在今天的《自然》雜誌上。

鐵電是指一類材料,它不僅可以實現自發極化,而且在暴露於外部電場時也可以反轉其方向,這對於電子學應用領域很有前途。該團隊的研究突破證明了鐵電效應對厚度僅為1納米的材料的這種鐵電性影響,該材料僅相當於兩個原子構造塊的大小。該材料可以以較低的能量有效地驅動最小的設備。

研究人員說:「人們製造的計算設備越來越小。」 「不希望使用較厚的材料,因為沒有空間。有了我們這樣的鐵電材料,就不必擔心空間了。」以前,研究人員已經成功地使越來越薄的材料中的鐵電穩定。但在3納米以下,常規鐵電材料中的鐵電會降低。

現在。伯克利研究團隊在矽上生長了1納米厚的摻雜氧化層。 該超薄材料不僅顯示出鐵電性,而且效果實際上比厚幾納米的材料強,這是鐵電領域的「根本性突破」。

這一發現可能會導致創建更多輕薄高效的高級電池和傳感器。同時這項研究工作對計算機中的存儲器和邏輯晶片有著特別的前景。在僅1納米厚的薄膜中發現鐵電意味著這些存儲單元可以按比例縮小到以前通常認為不可能的尺寸。

研究人員表示:「這可以用於發展今天可用於製造計算機晶片的鐵電材料。」這一原子級的鐵電性及其開關機理還將可以應用於神經網絡技術及其精細的人腦模擬。

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