近日，我院魏现奎教授团队与德国科学家团队合作，首次在N-H共注入钙钛矿锰氧化物中发现了以可翻转多重极化态为重要特征的准二维铁电体，该发现为多态铁电信息存储的未来设计开辟了新纪元。相关研究成果以“Quasi-two-dimensional ferroelectricity with multiple switchable polarization states in N-H coinjected perovskite manganites”为题，发表于国际顶级期刊《Science Advances》。(DOI：10.1126/sciadv.adx3747 )
在传统信息存储的范式中，信息存储的密度提升依赖器件尺寸的缩小。然而，当尺寸逼近原子级时，量子隧穿等问题不仅会导致成本激增，还会使得存储性能变得不稳定，进而引发存储失效的严重后果。与之不同的是，多极化态存储策略另辟蹊径，它通过挖掘铁电材料所具备的多重稳定极化特性（如 - Ps1, Ps2, Ps3 …），巧妙地让单个存储单元能够承载更多的信息（如 32 态对应log2(32) = 5 比特/单元）。因此，这一策略能从 “信息密度而非物理尺寸” 的全新维度突破现有存储技术的极限。
研究团队利用原子分辨电镜观察到，在N-H共掺杂钙钛矿锰氧化物中发现的准二维铁电体具有可翻转的多重极化态这一独特性质。从结构来看，由氧空位有序度调控诱导所形成的“1 个 MnO₄四面体层+ 3 个 MnO₆八面体层”（简称 1T-3O 结构）周期性堆叠结构展现出了显著的面内导电、面外绝缘特性，为其准二维铁电性提供了关键证据。原子分辨STEM图像进一步揭示，在该准二维材料中，氧原子位移与锰离子价态的周期性变化共同作用，产生了高达63.7 μC/cm²的平均面外极化强度。尤为特别的是，PFM实验显示其垂直振幅-电压曲线呈现阶梯式跳跃的特征，标志着多个离散极化态的存在。此外，差分相位衬度与能谱分析进一步确认了氢、氮的原子级占位及其对稳定长程极化序的关键作用。这些重要发现不仅为多态信息存储提供了理想的物理载体，也为构筑超薄、柔性多功能器件提供了新思路。
该工作由魏现奎教授带领研究团队主导完成，共同作者为刘枫、王毅、梁智尧、刘鹏鹏等。本工作得到国家高层次青年人才计划、厦门市自然科学基金项目、厦门大学校长基金项目以及湘安生物医药实验室传染病疫苗国家重点实验室等资助。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adx3747
