原子层间“滑”出千万倍电阻差异

手机、电脑断电后仍能保存数据，依赖的是芯片中无数微小“开关”对0和1的可靠记录。衡量一个存储开关的优劣，关键看两点：电阻差别是否足够大，以及能否经得起反复读写。近日，中国科学院半导体研究所等单位的科研人员研制出一种新型“铁电隧穿结”，利用原子层间仅埃米级（不到1纳米）的微小滑移，使开关电阻相差约1900万倍，且能反复开关超过1000亿次。相关研究成果发表于国际学术期刊《科学》。

铁电隧穿结的结构可以理解为一个微型“三明治”：上下两层是电极，中间夹着一层极薄的铁电材料。电子本无法穿过绝缘层，但薄至一定程度后便可通过量子隧穿效应“穿墙”而过。铁电材料的极化方向可以翻转，极化方向一变，电子所面临的势垒高度随之改变——势垒低时电流大，势垒高时电流小，由此形成两种可区分的电阻状态。

然而，长期以来，电阻开关比大与循环耐久性高这两个关键指标如同鱼与熊掌，难以兼得。传统铁电材料极化强度高，能产生明显的电阻差异，但反复开关后容易出现“疲劳”，寿命有限。新型二维滑移铁电材料则相反：它依靠原子层之间极其微小的错动来翻转极化状态，几乎不产生磨损，可反复开关超过1000亿次，但剩余极化强度比传统氧化物铁电体低2至3个数量级，导致电学读出信号微弱。

为破解这一矛盾，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，通过二维范德华异质结界面工程，构建了Cr/h-BN/3R-MoS₂/单层石墨烯滑移铁电隧穿结，并进一步将该结构拓展至1T′-ReS₂体系。在器件中，六方氮化硼作为均匀低漏电的隧穿势垒，保障稳定开关；3R-MoS₂（或1T′-ReS₂）产生耐疲劳的滑移极化，调控势垒高度；单层石墨烯则作为低态密度、弱屏蔽电极，使极化能有效调控参与隧穿输运的载流子浓度。三者协同形成了类似“杠杆放大”的效应，将微弱的剩余极化转化为巨大的电阻读出对比度。

实验数据显示，在0.5伏读取电压下，该器件隧穿电阻比达到1.9×10⁷，较此前报道的滑移铁电隧穿结提高4个数量级以上；开态电流密度达222安培每平方厘米，开关耐久性超过10¹¹次，器件在脉宽低至13纳秒时仍可实现可靠切换，开关能耗仅为6.5飞焦耳每比特。团队还制备了8×8器件阵列，全部64个单元均表现出一致的双稳态非易失开关，展示了面向高密度集成的潜力。

该工作在紧凑的两端结构中同时实现了巨大的非易失读出窗口、超高耐久性、大驱动电流、快速切换和低开关能耗，突破了铁电隧穿结中读出对比度与循环可靠性相互制约的瓶颈。科研人员表示，未来随着大规模器件阵列和配套电路的完善，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，为缓解算力提升与功耗受限的矛盾提供新的技术方案。