材料的“初始”特性可能为快速、低功耗电子设备提供动力

他们在《自然通讯》上发表了他们的研究，重点关注多功能二维场效应晶体管（FET）。场效应晶体管是先进的电子设备，利用超薄材料层来控制电信号，提供开关、传感或内存等多种功能，形式紧凑。它们具有类似铁电的特性，这意味着在施加外电场时，它们的电导方向可以逆转。场效应晶体管在计算中至关重要，因为其类似铁电的特性使它们能够改变信号。

传统的计算系统，尤其是处理图像识别的人工智能（AI），消耗大量能源。铁电晶体管的低能耗需求提供了一种可持续的替代方案。

“人工智能加速器以其巨大的能耗而闻名，”工程科学与力学博士生及该研究的共同作者哈里克里希南·拉维昌德兰说。“我们的设备切换迅速，消耗的能源远远更少，为更快速、更绿色的计算技术铺平了道路。”

初始铁电性是一种之前被忽视的FET特性，可能是更快、更可持续设备的关键。初始铁电性指材料表现出暂时的、分散的极化迹象，这意味着其部分可以像微小的偶极子一样切换电荷——相隔不远的相对磁极——但在正常条件下不会固定在稳定状态。

可以把它想象成一种有潜力变成铁电的材料，但它需要一点推动。初始铁电性意味着材料接近于变成铁电，它可以保持电荷，但需要特定条件来实现电荷。

“初始铁电性意味着在室温下没有稳定的铁电序，”工程科学与力学博士生及研究的首席作者迪潘詹·森说。“相反，存在小的、分散的极性域簇。与传统铁电材料相比，这是一种更灵活的结构。”

虽然这一特性通常被视为限制，研究小组发现，在较低温度下，初始铁电性变得不那么初始，更加传统。根据拉维昌德兰的说法，设备在不同温度范围内显示出独特的行为，表明可以实现新的潜在应用的灵活性。

“该项目的主要目标是探索初始铁电性，通常被视为缺点，因为它导致内存保持时间短，实际上是否可能有用，”通讯作者萨普塔尔希·达斯说，他是宾州州立大学的阿克利工程教授和工程科学与力学教授。“在低温条件下，这种材料显示出适合内存应用的传统铁电般行为。但在室温下，这一特性表现得不同。它具有这种松弛性质。”

松弛行为指的是一种更加无序的、短程的极化响应。这种类型的行为较不易预测且更为流动，与传统铁电材料所见的稳定、长程序列形成对比。这意味着该材料的铁电特性在室温下较弱或不稳定。研究人员表示，这并不是缺点，而是显示出在类脑计算中的潜力，类脑计算旨在模仿人脑通过神经元处理信息的方式，并且比传统计算机使用更少的能量。就像我们的脑袋一样，它仅在需要时使用能量，通过开关来节省能量，而不是像传统计算机那样一直处于开机状态。

“这些设备像神经元一样，模拟生物神经行为，”工程科学与力学博士生及研究共同作者马尤克·达斯说。“为测试这一点，我们执行了一个分类任务，将三乘三像素图像输入三个人工神经元。设备能够将每个图像分类到不同类别中。这种学习方法最终可以用于图像识别和分类或模式识别。重要的是，它在室温下工作，降低了能源成本。这些设备的功能类似于神经系统，像神经元一样创建一个低成本、高效的计算系统，使用更少的能量。”

明尼苏达大学的合作伙伴开发了FET，通过在基底上沉积一层原子形成薄膜。这些由钛酸锶制成的薄膜然后与二硫化钼结合，形成一种二维材料。

钛酸锶通常是非铁电的，这意味着它没有持久的电场。然而，研究人员表示，独立的钛酸锶纳米膜显示出极性序，这使得材料能够表现出类似铁电的行为，特别是在非常低的温度下。

钛酸锶薄膜，连同其初始铁电性，也是钙钛矿材料。钙钛矿是一种特定晶体结构的材料，因其卓越的电子特性而受到重视。

“我们惊讶地发现这些著名的钙钛矿材料在器件级别上可以展现出奇特的铁电特性，”森说。“这不是我们预料的，但一旦开始制造设备，我们看到的行为真的是可以重新定义先进电子学。”

研究人员指出，未来的研究将包括解决当前的挑战，例如可扩展性和商业可行性，同时探索其他潜在材料。

“现在，这是一个研究和开发阶段，”森说。“完善这些材料并将其整合到智能手机或笔记本电脑等日常设备中将需要时间，所以还有很多可以探索。此外，我们正在研究其他材料，例如钡钛酸盐，以发掘它们的潜力。材料和设备应用的增长机会是巨大的。”

与森、达斯和拉维昌德兰一起，宾州州立大学的其他研究作者包括工程科学与力学研究生普拉纳夫拉姆·文卡特拉姆、工程科学与力学研究生郑宇、工程科学与力学研究生孙永文、工程科学与力学研究生希瓦·苏布拉克什米·拉维克里希南、材料科学与工程研究生阿卡什·萨哈、材料科学与工程研究生桑卡尔帕·哈兹拉、二维晶体联盟的助理研究教授、薄膜专家陈晨、二维晶体联盟的主任和材料科学与工程及电气工程的杰出教授琼·雷德温、材料科学与工程及物理教授文卡特·戈帕兰，以及工程科学与力学及核工程的助理教授杨洋。来自明尼苏达大学的研究共同作者包括周苏浩、西瓦希什·瓦尔什内、杰伊·沙阿、K·安德烈·穆霍扬和巴拉特·贾兰。

美国国家科学基金会和陆军研究办公室支持了这项工作。