浙大科创团队在《科学》子刊报道铁电相变晶体管 有望用于大容量信息存储

在我们日常使用的电子产品中，“住着”一位名叫“半导体存储器”的“信息民工”，它每天不辞辛劳地完成着聊天记录、浏览痕迹、数字图片等数以百计项的信息存储工作。然而，随着计算机技术的进步，传统半导体存储器倍感“工作压力”巨大，每天都面临着信息存储容量局限的困境……

如今，科研人员正在探索一类新型铁电存储器，这种存储器以其功耗低、读写速度快、抗辐照能力强等优点备受关注，或将改变下一代信息存储技术的格局。

近日，浙江大学杭州国际科创中心（简称科创中心）未来科学研究院薛飞研究员团队联合汪华研究员、阿卜杜拉国王科技大学张西祥教授在探索高性能铁电存储器方面做出了新的尝试，首次制备出能低电压工作的铁电相变存储晶体管，相较于传统铁电存储器，该项成果可以将存储容量提高至成百上千倍，为提升铁电存储容量提供新思路。5月24日，相关研究成果以Proton-mediated reversible switching of metastable ferroelectric phases with low operation voltages为题在线发表在顶尖学术期刊《科学》子刊Science Advances上。第一作者是薛飞团队的何鑫博士。

（具体内容详见：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg4561）

大容量存储铁电晶体管的概念示意图

一次意外的发现

目前，铁电材料已被用在高集成度、低功耗的信息存储器件中，然而大多数铁电材料只有两个极化方向，且每个存储单元只存在两个信息存储态。随着器件尺寸不断减小，微加工难度不断加大，导致单位面积上存储容量受到限制，从而无法满足物联网、人工智能等数据密集型技术的存储需求。  

如何解决大容量存储难题？薛飞和团队何鑫博士一直在探索，在一次偶然的尝试中，团队通过对铁电材料进行质子注入等技术，发现了一系列铁电亚稳态，再通过改变栅压的正负可以注入或者抽出质子，得到不同质子化程度的铁电中间态。

大容量存储原理图

团队惊奇地发现栅压调控的质子化过程具有易失性，而产生的中间态仍具有铁电性，这意味着在质子注入的过程中产生了具有亚稳态和铁电性的化合物，这正好可以用来实现翻转铁电畴从而达到存贮信息的目的，这也为提升铁电存储容量提供了新思路。薛飞解释道，简单来说，就是在单一铁电器件里实现了成百上千个人造铁电相，从而大规模提高存储容量。

一些特别的灵感

在科创中心未来科学研究院，在研究院院长俞滨的带领下，薛飞等一行人正在探索感存算一体化类脑芯片研发，用以支持后摩尔时代更多未来应用场景。

不同于以往，科研灵感总是迸发自实验室，薛飞坦言，此次成果的灵感，却是来源于饭桌、健身房甚至是球场。本项研究开展了1年多的时间，中途也遇到过艰难的瓶颈期。“我们对质子注入机理不清楚，导致无法精准捕捉其位置，搁置了后续实验的探索与研究。”薛飞说。

然而，有一天，“吃了一顿饭，问题似乎找到了解决办法”，薛飞回忆道，“我和汪华老师在食堂吃饭，我与他分享我在进行这项研究时遇到的困难，没想到汪华老师提出的一些建议，就这样为我们打开了思路。”

汪华是科创中心未来科学研究院的一位青年PI，主要研究量子材料中原子尺度下的量子态在外场下的响应与调控等。汪华和薛飞的研究领域，看似不相关，但几经碰撞，却也擦出了意外的火花。汪华加入项目后，为薛飞和团队在量子态建模等物理框架方面的探索和实践提供了更多理论支撑。

薛飞和汪华一致认为，科创中心和未来科学研究院为科技工作者们提供了多元汇聚、交叉创新的科研环境，未来科学研究院坚持面向微纳尺度下的极端制造、材料、技术、装备需求，推进纳米材料、合成生物、计算化学等交叉领域的前沿研究。此次成果的研究团队，就涵盖了来自物理学、电子工程学以及材料学等多个领域，大家在理论、实践和不同专业知识上都能做到优势互补、集智攻关、协同创新。

下一步，薛飞和团队将继续提高铁电器件及集成芯片的性能，赋能下一代感存算一体芯片、类脑感知芯片等领域的探索实践，引领更多原创性成果创新。 

本文编辑：孔晓睿

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