稳定新型铁电半导体的机制同时也创造了一条导电通路，这可能使它们适用于大功率晶体管。

一种能够利用电场存储信息的新型半导体可能会带来更加节能的电脑、超精密传感器以及可以在电信号、光信号和声信号之间转换的技术。然而，长期以来，科学家们一直感到困惑的是，这些材料如何在不分裂的情况下维持两种相反的电极化。

密歇根大学的一组工程师现已发现，被称为纤锌矿铁电氮化物的材料为何不会自行撕裂。

“纤锌矿型铁电氮化物是最近才发现的，在存储电子器件、射频（radio frequency）电子器件、声电子器件、微电子机械系统以及量子光子学等领域有着广泛的应用，仅举几例。但铁电切换和电荷补偿的潜在机制仍难以捉摸，”米哲天（Zetian Mi）说道。米哲天是工程领域Pallab K. Bhattacharya冠名大学教授，也是发表在《自然》杂志上的这项研究的联合通讯作者。

“材料是如何实现稳定的？这在很大程度上仍是个未知数。”

极化转换的工作原理

电极化类似于磁性，但与条形磁铁具有北极和南极不同，极化材料具有正极和负极。这些新型半导体可以从某一方向的极化开始。当暴露于电场中时，它们的极化会发生翻转——正极变为负极，负极变为正极。即使在移除电场后，新的极化状态也会保持不变。

但通常情况下，并不是整个材料都发生了极化转换。相反，它被分为了原极化和反极化区域。在这些区域交汇的地方，特别是两个正极相遇的地方，研究人员不明白为什么斥力没有造成材料的物理断裂。

“原则上，极化不连续性是不稳定的，”密歇根大学电气与计算机工程专业博士后研究员、本研究合著者之一王丹豪（Danhao Wang）说道。“这些界面具有一种前所未有的独特原子排列。更令人兴奋的是，我们发现这种结构可能适用于未来晶体管的导电通道。”

由米（Mi）的团队主导实验研究，并由材料科学与工程学的密歇根大学教授埃马努伊尔·基奥帕吉斯（Emmanouil Kioupakis）的团队进行理论计算，该团队发现材料中存在一个原子级别的断裂，但这个断裂却产生了将其凝聚在一起的粘合剂。

断裂的键如何使结构保持完整

在两个正端相接的水平接合处，晶体结构会发生断裂，形成一堆悬挂键。这些悬挂键包含带负电的电子，这些电子能够完美平衡半导体内每个畴边界上多余的正电荷。

基乌帕奇斯（Kioupakis）也是卡尔·F·贝兹和帕特里夏·J·贝兹家族学者（Karl F. and Patricia J. Betz Family Faculty Scholar），也是本研究论文的共同通讯作者，他说：“这一结果简单而优雅——急剧的极化变化通常会产生有害缺陷，但在此情况下，断裂的键所提供的电荷正好是该材料保持稳定所需的电荷。”

他说：“值得注意的是，电荷抵消现象并非只是幸运的巧合，而是四面体几何形状的直接结果。这种现象在所有四面体铁电体中都是一种普遍存在的稳定机制，而四面体铁电体作为一种材料，因其有望在下一代微电子器件领域发挥作用而备受关注。”

原子成像与量子计算

研究团队利用电子显微镜发现了这一现象，该显微镜揭示了其使用的特定半导体（氮化镓钪）的原子结构。在畴相遇的地方，通常的六方晶系晶体结构在几个原子层上发生弯曲，形成了断裂的键。显微镜显示，各层之间的距离比正常情况更近，但需要使用密度泛函理论计算来揭示悬挂键结构。

除了将材料连接在一起，悬空键中的电子还会沿着连接处形成一条可调节的电力高速公路，其电荷载体数量比普通氮化镓晶体管的电荷载体数量多约100倍。通过逆转、移动、增强或减弱决定极化的电场，可以关闭或开启这条高速公路，使其在材料内部移动，并使其导电性增强或减弱。

研究团队立刻意识到，它可以作为一种场效应晶体管，支持大电流，适用于大功率和高频电子设备。这正是他们下一步要研发的内容。

参考文献：《2025年4月16日发表于《自然》期刊的，由丁旺、王丹豪、Mahlet Molla、刘玉洁、Samuel Yang、袁帅帅、刘江南、胡明涛、吴元鹏、马涛、孙凯、郭鸿、Emmanouil Kioupakis和米哲天合著的“纤锌矿型铁电体中的电场诱导畴壁”》 数字对象唯一标识符：10.1038/s41586-025-08812-7

本研究由国家科学基金会、陆军研究办公室和密歇根大学工程学院资助。计算资源由国家能源研究科学计算中心提供，该中心由美国能源部支持。

该装置是在鲁里纳米制造工厂制造的，并在密歇根材料表征中心进行研究。

不要错过任何一项突破：订阅SciTechDaily新闻简报。