突破死层效应，超薄薄膜可实现AI低功耗微芯片

多铁性材料是一类很有前景的材料，可用来制造计算机芯片以及其他电子元器件，其功耗远低于现有器件。这类材料同时具备耦合的电特性与磁特性，仅需施加很小的电压，就能同步调控这两种特性。

工程师们希望，多铁性材料能够缓解AI发展带来的能耗压力，但这类材料存在一个被称为 “死层效应” 的难题：当把这类材料加工到芯片可用的超薄厚度时，它原本具备的电、磁性能就会消失，这也是它备受关注的核心特性。

如今，布朗大学的一组研究人员研发出一种工艺，可以制备铁酸铋多铁薄膜。该薄膜不仅保留核心性能，还诞生了一些新特性，实用性进一步提升。“我们已经证实，可以消除死层效应。” 主导这项研究的布朗大学工程学助理教授Lucas Caretta说，“我们证明，这种材料可以做到极薄 —— 薄至几个埃，并且依旧保有铁电性与磁性。”该研究成果已发表在《Nature Materials》上。

极化效应实现低功耗数据存储

多铁材料之所以受到关注，根源在于它相互耦合的电、磁属性。材料原子晶格中的每个晶胞都存在电极化，也就是正、负电荷分别排布在晶胞两侧。只要给晶胞施加微小电压，就可以翻转电极化方向，让正负电荷互换位置。这意味着，我们可以通过调控极化状态来编码二进制数据（0和1），整个过程只需要低功耗电压脉冲就能完成。

同时，材料的磁态和电态相互绑定，因此可以通过磁方式读取数据，由此就能打造超低功耗的存储或者逻辑器件。

但长久以来，死层效应一直是该路线难以突破的障碍。想要集成到芯片里，多铁材料必须做得极薄。而厚度降到很低时，两个问题就会出现：材料原子晶格失去维持功能所需的结构形态与化学状态；同时内部电场会压制电极化。这两种失效叠加在一起，会让材料彻底失去铁电和磁性，也就是所谓的死层。

应变与屏蔽机制保护薄膜性能

布朗大学团队的方案是一种全新的铁酸铋制备方法。铁酸铋是一种被广泛研究的多铁材料。研究人员将铁酸铋薄膜生长在钪酸镝衬底上。钪酸镝是稀土基材料，晶体晶格比铁酸铋更窄。这种晶格失配会给铁酸铋施加压应变，帮助它维持具备功能的原子晶格结构。

与此同时，额外的金属层可以吸收杂散电场，从而保住铁酸铋层内的电极化。最终得到的铁酸铋薄膜，不仅保留多铁功能，磁性还得到了增强。

交错磁体兼顾高速与可读信号

研究人员发现，这种叠层结构可以让铁酸铋薄膜变成交错磁体（altermagnet），是介于铁磁体和反铁磁体之间的一类新型磁体。

“铁磁体适合存储和逻辑器件，因为它的磁信号强，读取简单。”Caretta说，“缺点是速度相对较慢，而且杂散磁场会让芯片器件高密度集成时容易出现信号干扰。反铁磁体的工作速度快很多，也没有杂散场问题，但它的信号很难检测。交错磁体相当于兼顾两者优势：速度快、适合高密度集成，同时还能提供强电信号用于读取。”

Caretta表示，他希望这项成果能够推动多铁材料落地，成为低功耗计算的元器件。“我们知道，块体材料本身就具备这些基础特性。难点在于找到合适的加工方式，把它做成可用形态，有时甚至能得到比天然块体材料更优异的性能。”