帶電疇壁

帶電疇壁是鐵電材料中分隔不同極化取向區域的界面，當相鄰疇的極化方向頭對頭或尾對尾排列時，疇壁會攜帶電荷。其厚度可僅為亞納米甚至埃級，並表現出不同於體材料的特殊電導等傳輸特性。

近十年來，疇壁電子學成為一個新興的研究領域。研究人員在鈮酸鋰、鐵酸鉍等多種鐵電材料中實現了對帶電疇壁的創建和精確操控。研究還發現了被約束在極性層內、截面為埃級尺寸的一維帶電疇壁。這些研究為基於疇壁的納米電子器件開發提供了基礎。

發展歷程

在早期研究中，鐵電疇壁常被視為需要消除的缺陷以最佳化材料整體性能，例如通過消除對光起散射作用的鐵電疇壁來同時獲得高壓電性和高透光性。

最近10年，科學界對疇壁的興趣日益濃厚，開始關注並利用帶電疇壁自身的獨特物理特性，並逐漸形成“疇壁電子學”這一新興研究領域。

2026年1月23日，中國科學家團隊在《科學》期刊上發表研究，首次在實驗上證實三維鐵電晶體中可以存在穩定的一維帶電疇壁結構，該結構發現於螢石結構鐵電體如氧化鋯中，具有亞單胞級的一維尺寸，突破了疇壁本質為二維結構的傳統認知，為極限密度電子器件提供了新基礎。

基本特徵

傳統上，在三維塊體鐵電晶體中，疇壁被視為具有納米厚度的二維結構。然而，最新研究在螢石結構鐵電體（如氧化鋯）中，首次實驗觀測到穩定存在的一維帶電疇壁，其截面尺寸僅為亞單胞級別（約2.55埃×2.71埃），突破了疇壁本質為二維結構的傳統認識。

帶電疇壁具有不同於體材料的電導率（DWC），表現出新奇的傳輸特性，如金屬型準二維電子氣特徵或熱激發電導特徵。其電導可通過多種外部刺激進行控制和操縱，例如電場、力場和光場。電場可實現對單個導電疇壁電阻態的開關控制；光場（特別是紫外光）可有效激發載流子，調控疇壁的電導行為，光誘導電流增強現象局限於疇壁區域，並與電子帶隙內態的存在有關。

由於靜電排斥，帶電疇壁從能量角度講不易穩定，通常需要電荷補償機制來禁止疇壁處的極化電荷以實現穩定存在。常見的機制包括：在疇壁處積累的氧空位提供束縛電荷進行禁止；在受限的極性層內，通過氧離子位置的自調整實現電荷禁止。

根據相鄰電疇的極化方向配置，帶電疇壁主要分為“頭對頭”和“尾對尾”兩種類型。不同類型的疇壁表現出不同的電導特性，例如頭對頭電荷型疇壁的導電性通常最高。此外，還存在面內帶電疇壁、十字形帶電疇壁等多種形態。

套用

帶電疇壁因其獨特的電輸運特性和納米級尺寸，在新型信息存儲、邏輯運算及存算一體器件中展現出巨大套用潛力。

採用納米加工技術可製備15-400納米的鐵電存儲單元，通過施加面內電場產生可擦寫的高電導疇壁來非揮發地存儲邏輯“0”和“1”的信息，其開關比大於10^5，讀寫速度可達納秒至皮秒量級，保持時間大於10年，並具備三維堆垛潛力。最新發現的埃級尺寸一維帶電疇壁有望將存儲密度提升數百倍，理論值可達每平方厘米約20太位元組，為開發極限密度人工智慧器件提供了新基礎。

通過電場可獨立控制單個導電疇壁的通斷，並基於此構建NAND、NOR等基本邏輯門和邏輯電路。與導通電流可達~110 μA μm−1、亞閾值擺幅近零的全鐵電場效應電晶體同質集成，能夠實現簡單的邏輯運算，突破“存儲牆”限制，實現存算一體化功能。

在鐵電薄膜中創建並精確操控面內帶電疇壁，其逐層運動可調製鐵電隧道結的電阻，實現量化多阻態的憶阻行為，為新型納米級存儲與計算單元提供了可能。

影響

帶電疇壁作為鐵電材料中的一種重要拓撲缺陷，其獨特的物理性質（如亞納米厚度、可控電導率）和可精確操控的特性，正推動相關科學認知的突破和技術套用的革新，在納米電子學、高密度信息存儲和新型計算架構領域展現出變革性潛力。

2026年，中國科學家團隊首次在三維鐵電晶體（氧化鋯）中實驗觀測到一維帶電疇壁，其截面尺寸僅為亞單胞級別（約2.55埃×2.71埃），突破了疇壁本質為二維結構的傳統認識。在磁電多鐵材料（如ε-Fe2O3）中，特定類型的鐵電疇壁處的鐵電極化可以實現顯著增強（約43%）。

帶電疇壁（尤其是面內帶電疇壁）因其亞納米厚度和新奇的傳輸特性，被視為納米電子學中的關鍵功能元件，有望充當新型的“開關”或“旋鈕”，用於構建新型納米電子器件。利用一維帶電疇壁進行信息存儲，預計將比當前的存儲密度提高約幾百倍——理論上可達每平方厘米約20太位元組(TB)，為開發具有極限密度的人工智慧晶片單元提供了可能。基於鈮酸鋰等鐵電單晶的疇壁存儲器已被研製出來，具有高開關比、納秒至皮秒級讀寫速度、長保持時間和可三維堆垛等特性。

鐵電疇壁存儲器可與同質的全鐵電場效應電晶體集成，實現簡單的邏輯運算，形成存算一體化單元，這有助於突破傳統計算機架構中的“存儲牆”限制。基於對帶電疇壁導電態的電控開關，研究人員已成功設計了NAND、NOR等多種基本邏輯門和邏輯電路。