新技術揭示鐵電納米材料亞原子結構

據物理學家組織網7月9日（北京時間）報道，最近，美國能源部布魯克海文國家實驗室、勞倫斯・伯克利國家實驗室等利用電子全息攝影技術，拍下鐵電納米材料亞原子結構，并揭示了它的性質。研究人員指出，這是迄今拍下鐵電亞原子結構最小尺度，有助于理解鐵電材料的性質，擴大其研發和應用，研發新一代先進電子設備。相關論文發表在7月8日的《自然・材料》雜志上。

　　這種電子全息攝影術能以皮米（10的負12次方）精確度，拍下材料原子位移所產生的電場圖像。布魯克海文物理學家朱毅梅（音譯）說：“這是我們第一次看到原子的確切位置，并把它和納米粒子的鐵電現象聯系起來。這種基礎突破不僅是技術上的里程碑，也為工程應用帶來了可能。”

　　鐵磁材料日常生活中隨處可見，這種材料本身有磁偶極距，指向北極或南極。這些偶極距自身趨向于排列整齊，由此產生了吸引和排斥的磁化作用。通過外加磁場翻轉磁化作用，就能操控這些材料。

　　鐵電材料與鐵磁材料同族，它們在分子尺度也有偶極距，但是正負電極而不是磁極，通過外加電場也能翻轉這種電極。這種關鍵特征來自材料內部亞原子層面的不對稱和排列現象。在新研究中，研究人員首次通過透射電子顯微鏡將這種現象拍攝下來。

　　目前的磁性存儲設備，如大部分計算機中的硬盤，是通過翻轉內部磁矩（對應于計算機二進制代碼1或0），將信息“寫入”鐵磁材料。而鐵電存儲是通過電場將材料的兩種電極狀態結合起來，轉化為代碼，在計算機上寫入和讀出數據信息。而最終在效率上，鐵電材料有望勝過鐵磁材料。

　　鐵電材料將信息存儲在更小的空間，幾乎是從微米下降到納米。在納米級別，每個粒子都是一個比特。但要擴展到應用設備上，必須知道怎樣壓縮它們才不會犧牲內部電極。理論上這是非常困難的，研究人員解釋說，實驗所演示的電子全息攝影術，能確定各種情況下的所需參數。

　　該研究揭示了單個鐵電粒子能保持電極的穩定性，這意味著每個納米粒子能作為一個數據比特。但由于它們存在邊緣場，還需要一些活動空間（約5個納米）才能有效操作。否則可能在擴展到計算機存儲中時，不能保持代碼完整性而破壞信息。布魯克海文物理學家韓永建（音譯）表示，鐵電材料能提高存儲密度，每平方英寸鐵電材料制成的電子設備存儲的信息達到兆兆字節，新技術讓我們離設計制造這種設備更進一步。(記者 常麗君)

　　總編輯圈點

　　一塊指甲大小的存儲器容量能有多大？在人們不斷提升電子設備便攜性的今天，這也許是時時縈繞在無數工程師耳畔的問題。而鐵電材料體積小、存儲密度大、可靠性高的特點，使其近年來受到科學界和產業界的熱捧。美國科學家的新發現，從科學層面揭示了一定容量的鐵電存儲器所能具備的最小體積。接下來的，就是讓工程師們手中的存儲器無限接近這個極限。工程應用的最初發端是科學實驗室，這再一次證明了科學研究對技術突破、工業發展的巨大貢獻。