Symmetry-engineering ferroelectricity in silicon dioxides
本文通过第一性原理计算预测并证明，通过平行表面或单轴应变打破非极性二氧化硅晶体的对称性，可以实现其铁电性的工程化设计，从而在纳米尺度上实现稳健且低势垒的开关切换，以直接集成到硅芯片中。
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一个多世纪以来，一个基本规则一直指导着对能够保持电荷的材料的研究：要成为铁电体，晶体必须属于十种特定的几何形状之一。这些被称为极性点群的几何形状具有内在的不对称性，允许正电荷和负电荷分离并沿单一方向排列。如果晶体缺乏这种特定的几何结构，长期以来一直被认为无法成为铁电体。这一规则一直是工程师和科学家的严格门槛，限制了他们用于构建存储器和传感器的材料选择。世界上最常见的绝缘材料——二氧化硅（构成计算机芯片上的保护层）——并不属于这十种特殊形状。因此，长期以来人们认为，要让这种无处不在的材料实现电极性翻转是不可能的，而这种特性本可以使其直接在硅电路中发挥存储元件的功能，而无需使用外来的、不兼容的材料。
哈尔滨工业大学（注：原文为华中科技大学，此处应按原文翻译为华中科技大学）的研究团队现在提出了一种绕过这一百年规则的方法。他们认为，通过改变材料本身的形状或受力，而非改变材料本身，就可以打破这种严格的几何要求。研究人员预测，通过将通常是非极性的二氧化硅晶体切割成极薄的薄膜，或者对其施加特定的压力，可以使该材料产生保持和切换电荷的能力。这一发现依赖于一个被称为“对称性工程”的概念。在天然的块体形式中，这些晶体具有三倍旋转对称性，这意味着如果旋转三分之一圈，它们看起来仍然一样。这种对称性抵消了任何电极化现象。然而，当研究人员制造出具有平行表面的薄膜或施加单轴应变时，他们打破了这种旋转对称性。这种对称性的破缺使得内部电荷得以排列，从而创造出一种可以来回切换的极性状态。
研究人员重点研究了两种常见的二氧化硅形式：α-石英和β-方石英。在天然的厚块体形式中，这些材料以多种相同的非极性状态存在。团队利用先进的计算机模拟表明，当这些材料被切割成厚度约为一纳米的薄膜时，平行的表面会破坏晶体的对称性。这种破坏迫使两个相同的状态变得截然不同：一个状态在顶部持有正电荷，另一个则在底部持有正电荷。在这两个状态之间的转换——即铁电切换的核心——并不需要原子进行长距离移动。相反，硅原子和氧原子只需旋转其四面体形状即可。这种旋转所需的能量非常低，对于α-石英而言，每个化学式单位的能垒仅为22毫电子伏特，这使得切换过程既快速又高效。模拟结果表明，即使在室温下以及低至一纳米的厚度下，这种铁电行为依然保持稳健，而在这一尺度下，许多其他材料都会因电泄漏而失效。
研究还探讨了机械应力的影响。研究人员发现，施加单轴应变（即沿着一个方向拉伸晶体）可以达到与切割成薄膜相同的效果。对于α-石英，沿特定方向施加仅4%的应变就足以打破对称性，并产生超过0.3微库仑/平方厘米的体极化。同样，β-方石英对约2.5%的应变做出响应，产生的极化强度显著高于其他典型的二维铁电材料。这表明，该效应并不局限于薄膜，如果经过适当的应力处理，也可以存在于块体材料中。研究人员还注意到，一些亚稳态相的二氧化硅（其能量略高于基态）可能本身就具有铁电性，尽管他们工作的重点是在稳定的非极性相中诱导这种特性。
这项工作的意义不仅限于所研究的具体材料。研究人员认为，这种对称性工程的原则可以应用于许多其他属于非极性组别但具有正确内部畸变的晶体，例如二氧化硅中存在的非线性键。如果这种方法能在实验中得到验证，它将解决电子工业的一个主要瓶颈。目前，将铁电材料集成到硅芯片中非常困难，因为大多数高性能铁电体无法直接生长在硅之上，否则会损坏电路或需要复杂的工艺步骤。然而，二氧化硅已经是硅芯片的标准绝缘材料。如果它可以通过简单的塑形或施压变为铁电体，那么就能实现低成本、大规模制造的、完全集成在硅中的存储器和逻辑器件。研究人员强调，虽然他们的发现是基于第一性原理计算和模拟，但他们所描述的物理机制提供了一条清晰且合理的路径，可以将一种常见的非铁电材料转化为功能性材料，从而为在广泛的普遍非极性材料中探索铁电性开辟一条新的途径。
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