新华网北京2月8日电（记者魏梦佳）我国科学家研制出一种新型铋基二维铁电氧化物材料，首次实现其晶圆级超薄、均匀制备，并基于此材料研制出高能效的“存算一体”器件——高速铁电晶体管，性能指标国际领先。这为发展下一代低功耗、存算一体芯片奠定了关键材料与器件基础。这项重要成果近日在国际学术期刊《科学》上在线发表。

  手机和电脑里的芯片，其“存储”和“计算”是分开的，就像记忆库和运算中心在两个不同的城市。处理一个任务，数据就得在两个“城市”间长途跋涉，既慢又耗电。这已成为提升算力的主要瓶颈。而具有快速翻转极化特性的铁电材料，天生具备“记忆”能力，有望将“记忆库”直接建在“运算中心”上，实现存算一体，从而突破上述瓶颈。

  然而，要将铁电材料应用于先进芯片，有三大“拦路虎”：一是很难做出又薄又均匀的大面积铁电薄膜；二是材料一旦做薄，其核心的铁电“记忆”能力又会大幅减弱；三是很难保证铁电薄膜与半导体界面无缝集成。

  图为新型铋基二维铁电氧化物材料的晶圆级均匀制备及铁电性（受访者供图）

  为此，北京大学化学与分子工程学院院长彭海琳教授带领研究团队突破了铁电材料应用于先进芯片的三重困境，最终成功实现了晶圆级超薄均匀的铁电薄膜制备，并研制出高速铁电晶体管。

  “我们像制作单晶硅片一样，在晶圆上制备出了超薄、均匀的铁电氧化物（α-硒酸铋），更神奇的是，即使薄到仅1纳米（约等于头发丝直径的六万分之一），它依然保有优异的铁电‘记忆’能力，并且‘记忆’层与‘运算’层完美无缝集成，制作工艺能与现有芯片产线兼容。” 彭海琳说。

  用这种新材料制作的铁电晶体管性能惊人。实验显示，在仅0.8伏的低电压下，铁电晶体管能以20纳秒的极速写入数据，并可反复擦写超过1.5万亿次，可靠性远超云端AI计算的严苛标准，综合性能全面超越当前工业级主流的铪基铁电体系。彭海琳认为，这项原创性成果，不仅为解决芯片的能耗与算力难题提供了全新的材料方案，也标志着我国在“超越摩尔”这条前沿技术赛道上，实现了从材料发现到器件验证的重要跨越。

  麻省理工学院教授苏拉·奇玛在《科学》上评论称，“这项研究的核心价值，就在于同时驯服了这三只‘拦路虎’，还造出了性能顶尖的晶体管与存算一体器件。”

  彭海琳介绍，未来，铁电材料的规模化制备及铁电晶体管器件的产业化应用，可让电子设备变得更持久、更快速、更智能。例如，存算一体的芯片能极大减少数据“奔波”的耗电，手机、笔记本电脑的续航时间有望显著延长，让人们告别“电量焦虑”；更低功耗、更强算力的芯片，能让复杂的AI算法直接在手机、汽车、家电等终端设备上高效运行，而不过度依赖云端等。