科技日报记者 陆成宽
手机、电脑断电后还能存储数据，靠的是芯片里无数微小“开关”记录0和1。开关好不好，一看电阻差别大不大，二看能否经得起反复读写。记者14日从中国科学院半导体研究所获悉，来自该所等单位的科研人员研制出一种新型“铁电隧穿结”，它利用原子层间仅埃米级（不到1纳米）的微小滑移，就能让开关电阻相差约1900万倍，还能反复开关超过1000亿次，为开发更省电、更耐用的存储和存算一体芯片提供新路径。相关研究成果发表于国际学术期刊《科学》。
铁电隧穿结可以理解成一个微型“三明治”：上下两层是电极，中间夹着一层极薄的铁电材料。这层材料绝缘，电子本来过不去，但薄到一定程度后，就能像“穿墙”一样穿过去，这叫隧穿。同时，铁电材料的极化方向可以翻转，方向一变，这堵“墙”的高低就跟着变：墙矮时电子容易通过，电流大，记作一种状态；墙高时电子难以通过，电流小，记作另一种状态。两种状态电阻差别越大，数据就读得越准。
然而，长期困扰学界的是，电阻差别大和经得起反复读写就像鱼与熊掌，难以兼得。传统铁电材料“力气大”，能让电阻差别很明显，但反复开关后容易“疲劳”，寿命有限。新型二维滑移铁电材料则相反：它靠原子层之间极微小的错动来改变状态，几乎不磨损，能反复开关超过1000亿次，比传统材料耐用得多。但它的“力气”太小，极化信号弱，电阻变化不明显，数据读起来费劲。
此次，中国科学院半导体研究所吴江滨研究员、谭平恒研究员团队与香港大学汪涵教授团队合作，在器件中引入三种关键功能层：氮化硼像一道均匀的“薄墙”，减少漏电，提供稳定隧穿势垒；二维滑移铁电材料像可滑动的“闸门”，原子层一错动，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过墙的电子数量。三者配合产生“四两拨千斤”的效果，把微弱的极化变化变成巨大的电阻差别。
实验数据显示，在0.5伏读取电压下，这种器件的电阻开关比达到1.9×10⁷，比此前同类器件提高超4个数量级。它还能承受超过1000亿次开关，开态电流密度达每平方厘米222安培，并能在脉宽低至13纳秒的极短电压脉冲下可靠切换。
相关科研人员表示，这项成果同时兼顾了高读出信号、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存在的瓶颈。未来，随着大规模阵列和配套电路完善，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、电脑在有限电量下承担更复杂的计算任务。
（受访者供图）
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