伯克利实验室发现二氧化钛纳米薄膜铁电性，为低功耗微芯片存储逻辑器件开辟新路径

8月7日消息，劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）Sayeef Salahuddin团队在Science发表研究，发现二氧化钛（TiO2）在减薄至原子尺度时表现出铁电性（ferroelectricity），为下一代低功耗微芯片开辟了新的材料路径。

铁电材料具有自发内部电极化，且极化方向可被外部电场翻转。与标准计算硬件相比，铁电材料可在更低电压下开关，在微小芯片中集成更多功能而不引起过热，对降低下一代存储和逻辑器件能耗具有重要价值。

挑战在于：大多数铁电材料在体相（bulk）形式下具有铁电性，但随着厚度减小会失去极化。此外，将超薄铁电材料与硅电子学标准半导体工艺兼容也是制造难题。

Salahuddin团队在2020年实现了突破——在硅基板上低温生长1纳米厚氧化铪（HfO2）薄膜并实现铁电开关。在此基础上，他们转向二氧化钛——一种广泛用作颜料、UV滤剂和催化剂的常见介电材料。理论研究曾预测TiO2在极高压力下会发生晶体结构畸变，从中心对称结构转变为各向异性铁电相。

研究团队发现，在纳米尺度下，TiO2无需高压即可实现这一铁电相变。Berkeley Lab分子铸造厂（Molecular Foundry）的Archana Raja领导光学测量表征了材料结构。Salahuddin表示：介电材料在减薄至原子尺度时经历铁电相变，为相变物理和极化畸变在全新材料体系中打开了令人兴奋的机会。

这一发现对化学和材料科学的意义在于：将常见、低成本、环境友好的TiO2引入铁电存储器领域，可能降低制造门槛并拓展铁电材料的化学设计空间。铁电随机存取存储器（FeRAM）和铁电场效应晶体管（FeFET）是后摩尔时代低功耗存储的重要技术方向。 （来源：AZoM）