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编辑丨风云
研究背景
铁电畴壁作为极性域之间的纳米级界面，因其可重构性和高导电性，被视为畴壁纳米电子学的核心组件。传统铁电体中的畴壁通常呈现二维（2d）特征。通过维度限制将畴壁缩小至一维（1d），有望极大地提高器件集成密度并催生新功能。具有极性/非极性子胞交替结构的萤石铁电体（如zro₂）为实现这种原子级局域化的一维结构提供了理想平台。
关键问题
目前，一维畴壁的研究主要存在以下问题：
1、一维畴壁的稳定与观测挑战
传统铁电畴壁受限于本体材料的3d性质，难以在三维晶体中实现原子尺度的维度局域化。如何在实验中直接观测并证实真正意义上的一维电控带电畴壁，是纳米电子学领域长期面临的瓶颈。
2、强带电结构的屏蔽机制不明
理论预测强带电畴壁（cdws）由于极高的静电能而具有不稳定性，且其在原子尺度下的电荷屏蔽过程及极化翻转与离子输运的耦合动力学一直缺乏直观证据。
新思路
有鉴于此，中国科学院物理研究所葛琛研究员、金奎娟院士、张庆华副研究员等人报告了表现出一维（1d）特征的180°头对头和尾对尾cdws。这些一维cdws被限制在铁电zro₂的极性层内，其宽度和厚度均达到原子级尺寸。定量分析揭示了这些畴壁的一种独特屏蔽机制，即束缚极化电荷由自平衡的氧占据率来补偿。作者展示了电场驱动下对这些一维cdws的操纵，揭示了极化翻转与氧离子输运之间的微观耦合。
技术方案：
1、研究了zro₂中一维带电畴壁的原子级特征
研究团队采用脉冲激光沉积法制备5纳米厚的zro₂薄膜，利用超高分辨率成像技术发现其极性层内存在一维带电畴壁。
2、探究了自平衡氧占据驱动的电荷屏蔽机制
zro₂薄膜中一维带电畴壁通过“自平衡氧占据”机制实现了稳定，与传统钙钛矿铁电体屏蔽机制不同，具有极高电荷浓度和导电性。
3、实现了对一维h-h畴壁运动的直接操纵和原位观察
研究人员通过电子束诱导局域电场，实现了对一维h-h畴壁的直接操纵与原位观察，验证了“壁即器件”概念。
4、揭示了zro₂中极化翻转与氧离子长程迁移之间的深层耦合关系
研究揭示了zro₂中极化翻转与氧离子长程迁移的耦合关系，1d h-h畴壁介导氧离子输运，强极化样本氧离子电导率高，为新型离子-电子学器件设计提供理论支持。
技术优势：
1、首次实现了原子级1d带电畴壁的直接观测
研究首次在zro₂极性层中发现宽度与厚度均仅为一个子胞（~2.7 å）的一维头对头（h-h）和尾对尾（t-t）带电畴壁，打破了畴壁维度的物理极限。
2、揭示了氧离子输运与极化的耦合动力学
作者阐明了氧离子过剩或空位屏蔽极化电荷的独特机制，并证实1d畴壁的运动可同时介导极化翻转与跨畴氧离子输运，展现出极高的离子电导率。
技术细节
zro₂中一维带电畴壁的原子级特征
研究团队采用脉冲激光沉积法制备了5纳米厚的自由支撑zro₂薄膜，并利用具有~28皮米超高分辨率的多层电子叠层成像（mep）技术进行表征。zro₂属于萤石结构铁电体，其极化起源于pca21正交相中三配位极性氧原子（op）的偏心位移，而四配位非极性氧原子则形成间隔层，构成极性/非极性子胞交替的架构。在这种架构中，相邻极性子胞间的相互作用极弱，使得极性层表现出二维（2d）特征。实验直接观测到了嵌入极性层内的180°头对头（h-h）和尾对尾（t-t）带电畴壁（cdws）。定量分析显示，这些畴壁的厚度（t ≈ 2.55 å）和宽度（w ≈ 2.7 å）均仅为一个子胞大小，呈现出真正的一维（1d）几何特征。这打破了传统铁电体中畴壁通常呈现二维或准二维特征的局限，为实现原子级尺寸和超高密度的畴壁器件奠定了物理基础。
图 一维畴壁的概念及实现方案
自平衡氧占据驱动的电荷屏蔽机制
由于一维带电畴壁具有极高的局域极化和极小的空间尺寸，需要极高浓度的屏蔽电荷（约4.9×1022cm-3）来维持其能量稳定性。研究揭示了zro₂中一种独特的“自平衡氧占据”屏蔽机制：在h-h畴壁处，极性层内出现了氧原子的过量聚集（非化学计量比占据 > 1.0），多余的负电氧离子补偿了正的极化束缚电荷；而在t-t畴壁处，则通过产生带正电的氧空位（vo）来中和负的极化束缚电荷。这种机制与传统钙钛矿铁电体（如batio3）利用自由电子或空穴屏蔽电荷、导致畴壁较厚的机制完全不同。这种基于离子非化学计量比的屏蔽方式，使得原本在能量上极其不稳定的强带电畴壁能够稳定存在于原子级厚度，且其电荷浓度接近金属自由电子密度，预示着极佳的导电性。
图 一维带电畴壁
一维带电畴壁的电场驱动运动与操纵
通过电子束诱导的局域电场，研究人员实现了对一维h-h畴壁运动的直接操纵和原位观察。由于非极性间隔层的中介作用，相邻极性层内的畴壁表现出极弱的相互作用，能够彼此独立地移动。在idp-stem动态成像中可以观察到，畴壁的移动主要涉及极性氧原子（op）的位移，而zr晶格保持静止，且没有诱导明显的晶格畸变。值得注意的是，动态运动过程中的畴壁厚度会因电荷补偿延迟而表现出表观上的“展宽”（超过一个子胞），而准静态下的畴壁则能通过平衡氧占据保持极小的厚度极限。这种在单元胞尺度上精准控制1d畴壁位置和密度的能力，不仅验证了“壁即器件”的概念，还为开发具有超高集成度的多态非易失性铁电存储器提供了可能，对提升人工智能和机器学习硬件的能效具有重要战略价值。
图 1d h-h cdw在zro2中的运动
极化翻转与氧离子输运的微观耦合
研究进一步揭示了zro₂中极化翻转与氧离子长程迁移之间的深层耦合关系。由于1d h-h畴壁容纳了过量的氧离子，其在电场驱动下的传播过程本质上介导了跨畴的氧离子输运。实验对比了不同极化强度的样本（如hzo、zro₂等），发现氧离子电导率与铁电相含量及极化强度呈显著正相关。在室温下，强极化样本的氧离子电导率超过，优于ysz等传统固体电解质。该过程被描述为一个完整的循环：电场驱动间隙氧离子从边界注入极性层，触发边缘极化反转形成h-h畴壁，随后畴壁运动带着氧离子横穿畴区并在对侧边界排出，从而完成极化开关和离子输运的耦合循环。这一发现证明了萤石结构铁电体的2d极性层可作为高效的氧离子导体，为设计新型离子-电子学器件和高性能电解质提供了理论支持。
图 萤石铁电体中的耦合cdw运动和氧输运
展望
本研究在铁电zro₂中成功观测并操纵了原子尺寸的一维带电畴壁，挑战了强带电畴壁不稳定的传统认知。通过揭示非化学计量比氧占据的电荷屏蔽机制以及畴壁运动与离子输运的微观耦合，该工作不仅为畴壁纳米电子学开辟了新的维度，也为设计下一代超高密度存储器件和新型离子电子器件提供了重要的物理基础与实验依据。
参考文献：
hai zhong, et al. observation of one-dimensional, charged domain walls in ferroelectric zro2. science, 2026, 391(6783):407-411.
doi: 10.1126/science.aeb7280
https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb7280
