北京
中国科学院半导体研究所的研究人员最近研制出一种新型“铁电隧穿结”，用原子层之间不到一纳米的微小滑移，就实现了约1900 万倍的开关电阻差，并可在反复开关超过1000 亿次后依然稳定工作。这为打造更省电、更耐用的存储芯片，以及存算一体芯片，提供了一条新路径。
所谓铁电隧穿结，可以想象成一个微型“三明治”：上下两层是电极，中间夹着极薄的一层铁电材料。这层材料本是绝缘体，电子很难穿过；但当它薄到一定程度，电子就会像“穿墙”一样隧穿而过。
更巧妙的是，铁电材料的极化方向能够翻转。方向一变，这道“墙”的高低也随之改变：墙矮时电子容易通过、电流大，对应一种状态；墙高时电子难以通过、电流小，对应另一种状态。两种状态的电阻差越大，数据读出来就越可靠。
但长期以来，学界被一个难题困住：大电阻差与耐反复读写，往往无法兼得。传统铁电材料“力气大”，电阻差做得很明显，可反复开关后容易“疲劳”，寿命有限。而新兴的二维滑移铁电材料正相反，它靠原子层之间极微小的错动来切换状态，几乎不磨损，能扛住超过 1000 亿次开关，比传统材料耐用得多；只是它的极化信号弱、电阻变化不明显，数据读起来很费劲。
这一次，中科院半导体所吴江滨研究员、谭平恒研究员团队，联合香港大学汪涵教授团队，在器件里引入了三层关键结构：氮化硼如同一道均匀的“薄墙”，既减少漏电又提供稳定的隧穿势垒；二维滑移铁电材料像可滑动的“闸门”，原子层轻轻一错动，就能调控这道墙的高低；单层石墨烯则像灵敏的“感受器”，能察觉变化并调节穿透墙的电子数量。
三者协同，产生了“四两拨千斤”的效果，把原本微弱的极化变化，放大成了巨大的电阻差。
实验给出了漂亮的数据：在 0.5 伏的读取电压下，器件的电阻开关比达到 1.9×10⁷，比此前同类器件高出四个数量级以上；它能承受超过 1000 亿次开关，开态电流密度高达每平方厘米 222 安培，还能在只有 13 纳秒宽的极短电压脉冲下可靠切换。
研究团队指出，这项成果同时做到了高读出信号、高耐久性、大电流、快速切换和低能耗，突破了铁电隧穿结长期面临的瓶颈。未来随着大规模阵列和配套电路走向成熟，这类器件有望用于更高密度、更低功耗的存储和存算一体芯片，让手机、电脑在同样电量下，完成更复杂的计算。
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