由阿卜杜拉國王科技大學領導的研究人員發現了一種質子介導的方法，這種方法可以誘導鐵電材料中的多個相變，從而有可能促進高性能、低功耗存儲設備和神經形態計算芯片的開發。該團隊的目標是提高能耗更低、運行更快的存儲器件和鐵電神經形態計算芯片的存儲容量。

硒化銦等鐵電材料本身俱有極性，在受到電場作用時可以改變極性。這一特性使它們成為開發存儲器技術的一個極具吸引力的選擇。由此產生的存儲器件在低電壓下工作時，具有卓越的讀/寫耐久性和寫入速度。然而，它們的存儲容量有限。

該研究的共同負責人何新解釋說，容量限制源於目前的技術只能誘導少數幾個鐵電相，而記錄這些鐵電相給實驗帶來了巨大挑戰。他在薛飛和張錫祥的指導下開展了這項研究。

研究小組的鐵電神經形態計算芯片正在實驗室進行測試。圖片來源：© 2023 KAUST; Fei Xue.

研究團隊的新方法以硒化銦的質子化為基礎，從而產生多種鐵電相。研究人員將這種鐵電材料納入了一個由矽支撐的堆疊異質結構組成的晶體管中進行評估。

他們在異質結構上層疊了一層硒化銦薄膜，異質結構由嵌套在底部鉑層和頂部多孔二氧化矽之間的氧化鋁絕緣片組成。鉑層充當外加電壓的電極，而多孔二氧化矽則充當電解質，為鐵電薄膜提供質子。

研究人員通過改變外加電壓，逐漸從鐵電薄膜中註入或移除質子。這就可逆地產生了幾種具有不同質子化程度的鐵電相，而質子化對於實現具有巨大存儲容量的多級存儲設備至關重要。

正電壓越高，質子化程度越高；負電壓越高，質子化程度越低。質子化水平的變化還取決於薄膜層與二氧化矽的距離。在與二氧化矽接觸的底層，質子化水平達到最高值，而在頂層，質子化水平逐級降低，達到最低值。

令人意想不到的是，當電壓關閉時，質子誘導的鐵電相又恢復到初始狀態。薛解釋說：”我們觀察到這種不尋常的現象，是因為質子從材料中擴散出來，進入了二氧化矽。”

通過創造一種與二氧化矽具有平滑、連續界面的薄膜，研究小組實現了一種質子注入效率高、工作電壓低於0.4 伏特的設備。這是開發低功耗存儲器件的一個重要因素。

薛承認，降低工作電壓是一項重大挑戰，但他解釋說，界面上的質子注入效率可以控制工作電壓，並可進行相應調整。他說：”我們面臨的最大挑戰是降低工作電壓，但我們意識到，接口上的質子注入效率控制著工作電壓，並可以進行相應的調整。我們致力於開發能耗更低、運行更快的鐵電神經形態計算芯片。”