美国科学家在最新一期《科学》杂志上发表研究成果称，将二氧化钛薄膜的厚度降至3纳米以下，便可将其转化为铁电材料。这一最新进展，为大规模制造运行速度更快、功耗更低的计算芯片开辟了一条全新路径。
铁电材料具有铁电效应，表现为在一定温度范围内能够产生自发极化，且这种极化方向可在外部电场作用下反转。这一特性使其在信息存储、传感、人工智能及新一代低功耗芯片等领域展现出重要的应用潜力。然而，在超薄材料中实现稳健的铁电行为，是半导体小型化进程中面临的一个重大挑战。同时，找到一种能与现有硅基技术良好集成的铁电材料，也并非易事。
此次，美国加州大学伯克利分校、劳伦斯伯克利国家实验室和斯坦福大学国家加速器实验室科学家，在将二氧化钛的厚度降至3纳米以下时，这种材料便变身为铁电体，表现出通过外加电场来切换方向的自发极化，其铁电行为在薄至约1纳米时，依然保持稳定。
最新研究还表明，即便将这些超薄二氧化钛沉积在晶体、硅和非晶碳薄膜等多种基底上，薄膜仍能保持其铁电性能，彰显了其与硅基技术及其他技术集成的可行性。
二氧化钛的另一个优势，在于它与现有半导体制造工艺高度兼容。超薄二氧化钛薄膜可以采用原子层沉积技术，在低于400℃的低温下生长，而这项技术已被应用于最先进的芯片制造中。
新研究证明，简单地减小材料的厚度，就能从根本上改变其性能，并解锁许多令人振奋的新功能。其他常见的介电材料，如通常被称为二元氧化物或萤石结构氧化物的物质，也可能在原子尺度上展示出前所未有的电子行为。
