材料的“初期铁电性”可以快速启动低功耗电子设备

宾夕法尼亚州立大学的科学家们利用一种称为初期铁电的独特特性，创造了一种新型的计算机存储器，这种存储器可以彻底改变电子设备的工作方式，例如使用更少的能源，并在外太空等极端环境中运行

他们在Nature Communications上发表了他们的工作，重点是多功能二维场效应晶体管（FET）。FET是一种先进的电子设备，它使用超薄材料层来控制电信号，以紧凑的形式提供开关、传感或存储等多种功能。

它们是铁电的，这意味着当外部电场施加到系统上时，它们的导电方向可以反转。场效应晶体管（FET）在计算中至关重要，因为其铁电特性使其能够转换信号

传统的计算系统，特别是处理图像识别的人工智能（AI），消耗大量能源。铁电晶体管的低功耗要求提供了一种可持续的替代方案

早期的铁电性是FET以前被忽视的特性，这可能要归功于更快、更可持续的设备。初期铁电是指显示出暂时、分散极化迹象的材料，这意味着它的一部分可以像微小的偶极子一样切换电荷——相反的磁极相距很小——但在正常情况下它不会稳定下来

把它想象成一种有可能变成铁电体的材料，但它需要一点推动。初期铁电性意味着材料即将变成铁电体——它可以保持电荷，但需要一定的条件才能实现电荷。“初期铁电性表示在室温下没有稳定的铁电序，”工程科学与力学博士生、该研究的主要作者Dipanjan Sen说。“相反，有小的、分散的极性畴簇。与传统的铁电材料相比，这是一种更灵活的结构。”

虽然这种特性通常被认为是一种限制，但研究小组发现，在较低的温度下，初期的铁电性变得不那么初期，更传统。根据Ravichandran的说法，这些设备在不同温度范围内表现出独特的行为，这表明了一种灵活性，可以实现可能的新应用

“该项目的主要目标是探索初始铁电性（通常被视为一种缺点，因为它会导致短时记忆保持）是否真的有用，”通讯作者、宾夕法尼亚州立大学阿克利工程教授、工程科学与力学教授Saptarshi Das说

“在低温条件下，这种材料表现出适用于存储应用的传统铁电行为。但在室温下，这种特性表现不同。它具有这种弛豫性质。”

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弛豫行为是指更无序的短程极化反应。这种行为不太可预测，更具流动性，这与传统铁电体中看到的稳定、长程有序形成鲜明对比。这意味着材料的铁电性能在室温下较弱或不太稳定

研究人员表示，这并不是一个缺点，而是显示出在神经形态计算中的应用潜力，该计算旨在模仿人脑如何使用神经元处理信息，并且比传统计算机消耗更少的能量。就像我们的大脑一样，它只在需要时使用电源来节省能源，比如打开和关闭电灯开关，而不是像传统电脑那样一直开着

工程科学和力学博士生、该研究的合著者Mayukh Das说：“这些设备就像神经元一样，模仿生物神经行为。”。“为了测试这一点，我们使用输入三个人工神经元的三乘三像素图像网格执行了一项分类任务。这些设备能够将每个图像分类为不同的类别。

”这种学习方法最终可用于图像识别和分类或模式识别。重要的是，它在室温下工作，降低了能源成本。这些设备的功能与神经系统相似，就像神经元一样，并创建了一个低成本、高效的计算系统，使用更少的能量。”明尼苏达大学的合作者通过在基板上沉积一层原子来形成薄膜，从而开发了场效应晶体管。这些由钛酸锶制成的薄膜然后与二维材料二硫化钼结合。钛酸锶通常是非铁电的，这意味着它没有渗透电场。然而，研究人员说，独立的钛酸锶纳米膜表现出极性顺序，这可以使材料表现出类似铁电的行为，特别是在非常低的温度下。钛酸钛薄膜及其初期铁电性也是一种钙钛矿材料。钙钛矿是一种具有特定类型晶体结构的材料，因其卓越的电子性能而受到重视。

“Sen说：“我们惊讶地看到，这些众所周知的钙钛矿材料可以在器件层面表现出奇特的铁电性能。这不是我们预料到的，但一旦我们开始制造器件，我们看到了可以真正重新定义先进电子产品的行为。”。“

研究人员指出，未来的研究将包括解决当前的挑战，如可扩展性和商业可行性，同时探索其他潜在材料。

“目前，这还处于研发阶段，”森说。“完善这些材料并将其集成到智能手机或笔记本电脑等日常设备中需要时间，所以还有更多的东西需要探索。”。此外，我们正在研究其他材料，如钛酸钡，以发现它们的潜力。无论是在材料还是器件应用方面，增长的机会都是巨大的。p