原子尺度的材料改造，正为存储芯片蹚出一条新路，主角是氧化铪。

人工智能发展得越快，对高效数据存储方案的要求就越高。圣路易斯华盛顿大学的研究团队没走扩大存储体量这条路，而是从另一头入手：在原子尺度上调控材料特性，把存储容量提上去。

这项工作由麦凯尔维工程学院机械工程与材料科学副教授罗汉·米什拉（Rohan Mishra）带队，美国国家科学基金会提供资助。团队把计算建模、先进显微表征技术结合起来，又和内布拉斯加大学林肯分校、佐治亚理工学院等机构的研究人员一起做实验，在材料特性的机理上拿到了突破性认识。

寻找能适配硅基晶体管的材料

氧化铪（HfO₂）是米什拉的研究方向之一，这种材料是硅基晶体管内部的薄层绝缘材料。

一旦它具备铁电性，就能维持一种电极化，其方向可在外加电场作用下反转。更关键的一点是，电场撤掉以后，极化方向还能被材料记住。正因如此，氧化铪成了存储器件的理想候选材料。

难点在于，厚度极薄时（小于10纳米，作为参照，人类头发直径约80000纳米），绝大多数材料的铁电性都会消失。德国一组研究人员却发现，氧化铪是个例外：做得再薄，它依旧能展现出铁电特性。

“这个现象十分费解：氧化铪本身本不属于铁电材料，可一旦被制备成极薄薄膜，就突然具备了铁电性。”罗汉·米什拉表示，“我们一直想要解开这个谜题。”相关成果已发表在《科学》（*Science*）期刊上。

为了把这个问题研究清楚，米什拉团队和内布拉斯加大学林肯分校的徐晓山（Xiaoshan Xu）课题组合作，在衬底上制备出排布有序的掺镧氧化铪单晶薄膜。

任国栋在米什拉的指导下取得博士学位，如今任职于

接下来，研究人员用电子显微技术确定了单晶材料的物相与电学行为，实测结果和计算模型的预测高度吻合。

米什拉指出，研究带来的核心结论是：反铁电结构，再通过电场控制相变。

米什拉解释说，与其跟材料本身的特性较劲，不如把反铁电薄膜做得质量足够高，让器件工作时靠电性切换来实现。反铁电材料另有一个长处：储能密度高，能拿来做高能量密度电容器。

计算建模、显微表征与实验三者合流

米什拉团队的研究思路，是让原子尺度建模（计算原子体系的稳定性与物性）和合成材料的显微观测互相印证。

“实际制备出来的材料总会存在缺陷，我们的工作就是研究如何减少缺陷，生长出高质量薄膜。”米什拉说。

团队从量子力学出发，在原子尺度上建模、预判材料性能；再联合外部合作课题组，制备出和模型预测高度匹配的材料。材料做好之后，由任国栋从原子层面表征材料的真实结构。

“国栋擅长把理论计算和显微表征结合起来，是少数能做到这个水准的研究者。”米什拉评价。

“显微图像是三维结构的二维投影，所以我们要结合显微观测与量子力学计算，还原材料真实结构。”他补充道。

任国栋同时也是另一篇论文的共同一作。这项研究由米什拉、佐治亚理工学院的阿西夫·汗（Asif Khan）以及韩国蔚山国立科学技术院的李俊熙（Jun Hee Lee）共同牵头，发表在《先进材料》（*Advanced Materials*）上。铁电畴，单个畴面积不足1平方纳米。

计算显示，每个畴内部的电极化方向都是固定的；畴边界处的电荷则由额外的氧原子来平衡。结果还预测出一点：这些畴壁能导电，也会在外加偏压下发生移动。照此看来，这种原子级超薄畴壁将来或许可以充当存储芯片里的电子元器件。

对课题组这套综合研究铁电材料的思路，任国栋颇为认同：“能把理论研究和原子尺度的显微实验结合起来，是难得的机会，我们也因此能更透彻地理解不同的材料体系。”

两项研究都指向同一件事：工程师可以对材料做原子级调控，由此操控器件的电学特性。米什拉和任国栋还点出一个有利之处：这类材料中有一部分早已用在我们眼下使用的硅芯片里，芯片厂商不必再额外增加元器件。

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