纳米级方法提升了先进存储材料的性能

下一代技术，如前沿的内存存储解决方案和受大脑启发的神经形态计算系统，几乎可以触及我们生活的方方面面——从我们日常使用的小工具到应对重大全球挑战的解决方案。这些进步依赖于特殊材料，包括铁电体——具有可切换电性能的材料，可以提高性能和能源效率

由能源部橡树岭国家实验室的科学家领导的一个研究小组开发了一种在铁电体中创建精确原子排列的新技术，为推进强大的新技术建立了一个强大的框架。该论文发表在《自然纳米技术》杂志上

该项目的首席研究员ORNL的Marti Checa说：“对形成这些材料的原子和电偶极子进行局部修改对于新的信息存储、替代计算方法或转换高频信号的设备至关重要。”。“我们的方法通过促进原子取向按需重新排列成可能不会自然发生的特定配置，即拓扑极化结构，来促进创新。”

在这种情况下，极化是指材料中被称为铁电偶极子的小内部永久电场的取向

为了创建可以根据需要激活的复杂结构，该团队的技术使用了一种功能类似于超细铅笔的电触针。触控笔可以通过将电偶极子定向到选定的方向来毫不费力地改变铁电体中的电偶极子，就像孩子们在磁性绘图板上创建图像一样

正如城市的布局塑造了人们的导航方式一样，设计的拓扑结构赋予了材料独特的特性。触控笔为创造具有定制特性的材料提供了令人兴奋的机会，这些材料非常适合低功耗纳米电子学和6G时代所必需的高速宽带通信

从5G标准过渡到第六代移动通信技术将涉及通信网络设计和使用方面的重大进步和变革。宽带和计算技术是错综复杂地联系在一起的，每种技术都能提高另一种技术的性能。因此，创新材料将在拓宽计算可能性方面发挥至关重要的作用

即将到来的纳米电子进步

今天的经典计算机以一种简单的“是”和“否”语言进行交流，用1和0表示。这个二元系统依赖于通过微小电路的电流。然而，由于写入和读取数据的要求，这种双重选择框架是有限的，也是能源密集型的

相比之下，拓扑极化结构可以快速有效地改变其极化状态，提供高稳定性和低能耗的开关。极化的这种快速变化提高了铁电体的价值，提高了各种设备的速度、效率和通用性。此外，它们允许在没有电源的情况下保留数据，为开发高密度、节能的计算系统铺平了道路

科学家们正在探索能够更快地处理信息的材料，以满足6G时代宽带通信的要求。由于固有的亚太赫兹共振，这些结构也可以在高频下工作的设备中得到利用，亚太赫兹共振是材料或系统内的自然振荡或振动，发生在低于1太赫兹（1万亿赫兹）的频率下

这样的进步可以显著提高未来计算系统的处理能力和效率，使它们能够解决更复杂的问题，并以更大的适应性和速度执行任务——这是经典计算机难以实现的能力

最后，这些结构允许精确控制电子和光学特性，因此可用于可调光电子器件。独特的电、机械和热性能的结合使铁电体非常适合神经形态计算和其他新技术

ORNL领导的研究揭示了一种先进的铁电陶瓷材料（通常称为PSTO）如何在电触针的引导下，在多步过程中切换其极化。PSTO，或钛酸锶铅，主要由铅、锶、钛和氧组成

一个称为拖尾场的概念通常用于解释为什么铁电体在材料平面内响应于沿表面移动的电场而重新定位其微小的电偶极子——小的正负电荷

然而，研究小组提出了一种替代方案，即存在一个中间的平面外态来描述材料从一个偏振态转变为另一个偏振状态时发生的相位。当铁电材料薄层中的极化发生变化时，当电场的垂直部分瞬间将电偶极子定向到表面平面之外时，就会发生极化方向的短暂转变

科学家们对中间平面外状态的见解使超畴结构的精确、按需操纵成为可能。超畴结构是铁电材料（如PSTO）中微小区域的大规模图案，每个区域都有不同的电偶极子排列。超畴结构很重要，因为它们通过影响材料的整体行为和性能来影响材料在各种应用中的性能

这项研究还证明了研究弹性能和静电能之间微妙平衡的能力。铁电体具有机械（弹性）和电（静电）能相互作用，相互影响。例如，改变铁电体的形状会影响其电性能，反之亦然。研究这种平衡有助于研究人员了解如何更精确地控制材料的行为

此外，研究人员还探索了沮丧的超级边界的适应能力——具有不同电特性的不同区域在材料中相遇的区域。由于相互冲突的力量或约束，这些边界无法轻易对齐或调整以最大限度地减少能源消耗，因此在自然界中很少发生。然而，按需创建新的拓扑极化结构使研究人员能够稳定这些受挫的超边界并研究它们的奇异性质

通过整合从相关显微镜技术收集的铁电材料的结构和功能数据，研究人员创建了详细的相场模型，预测材料在各种条件下的行为。这种能力有助于理解和优化材料的稳定性和极化

Checa说：“我们的项目开发了先进的方法，可以在纳米级精确地对材料进行图案化。”

“通过将专门设计的电触针尖端运动与自动化实验装置相结合，我们展示了探索以前无法获得的铁电材料新的复杂状态的能力。这一成就的一个关键方面是，它可以更好地理解和控制这些材料的独特性质。”