鐵電ZrO2是一種螢石結構鐵電材料。鐵電材料是一類特殊的晶體材料，內部的正負電荷無需外部電場作用也能自發分離且規則排列。中國科學院物理研究所張慶華副研究員、金奎娟院士和葛琛研究員等合作團隊在鐵電ZrO2中發現了一維帶電疇壁，相關成果發表於《Science》。該發現打破了三維晶體中疇壁為本徵二維結構的傳統認知。該一維帶電疇壁厚度和寬度均約為人類頭髮直徑的數十萬分之一，具有亞單胞級的極限尺寸。該研究揭示了這些疇壁獨特的自平衡氧占據的電荷禁止機制，實現了局部電場對一維帶電疇壁的人工操控，闡明了螢石鐵電體中極化切換與氧離子傳輸之間的內在耦合關係。該工作為開發具有極限密度的人工智慧納電子器件提供了科學基礎。利用一維帶電疇壁進行信息存儲，理論預計存儲密度可達每平方厘米約20TB。
基本介紹
- 中文名：鐵電ZrO2
- 外文名：ferroelectric ZrO2
研究簡史,理化性質,製備方法,套用領域,重大事件,
研究簡史
2026年1月，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心楊國楨、金奎娟、葛琛、張慶華等合作團隊在《Science》上發表了題為“Observation of one-dimensional charged domain walls in ferroelectric ZrO2”的論文，首次在螢石結構鐵電材料鐵電ZrO2中實驗觀測到一維帶電疇壁新物態。這一發現顛覆了“三維晶體中的疇壁必然是二維的面”的傳統認知。
研究揭示了這些疇壁具有亞單胞級的極限尺寸（~ 2.55 Å × 2.71 Å）以及獨特的自平衡氧占據的電荷禁止機制，並實現了局部電場對一維帶電疇壁的人工操控。該突破為開發具有極限密度的信息存儲、人工智慧納電子器件提供了新的科學基礎。
理化性質
2026年，中國科學院物理研究所等團隊在該材料中發現了一種新物態——一維帶電疇壁，打破了三維晶體中疇壁必為二維面的傳統認知。
這些一維帶電疇壁被限制在二維極性層內，存在“頭對頭”和“尾對尾”兩種類型；其尺寸達到亞單胞級極限，約為2.55 Å × 2.71 Å；具有獨特的自平衡氧占據的電荷禁止機制；可通過局部電場進行人工操控。
製備方法
在鐵電ZrO2材料研究中，近期研究通過雷射法創製了自支撐螢石結構鐵電薄膜。
套用領域
鐵電材料在信息存儲、感測、人工智慧等領域套用潛力巨大。利用一維帶電疇壁進行信息存儲，有望使存儲密度提高約幾百倍，理論預計達每平方厘米約20TB，相當於將1萬部高清電影或20萬段高清短視頻存儲在一張郵票大小的設備中。該發現為開發具有極限密度的人工智慧納電子器件提供了科學基礎。
重大事件
2026年01月，中國科學院物理研究所師生團隊與合作者在螢石結構鐵電材料中發現了一維帶電疇壁。相關研究成果以“Observation of one-dimensional charged domain walls in ferroelectric ZrO2”為題發表於《Science》。中國科學院物理研究所博士後鐘海與博士生王詩雨為共同第一作者，張慶華副研究員、金奎娟院士和葛琛研究員為共同通訊作者，合作者還包括清華大學谷林教授、中國科學院物理研究所金士鋒研究員等。該工作得到了國家重點研發計畫、國家自然科學基金等項目的資助。該發現顛覆了三維晶體中疇壁必然為二維面的傳統認知，利用一維帶電疇壁進行信息存儲有望大幅提升存儲密度。
