中科院研制新型铁电隧穿结，电阻差1900万倍，耐久超千亿次

9月15日，中国科学院半导体研究所吴江滨研究员、谭平恒研究员团队与香港大学汪涵教授团队合作，在芯片领域取得重要突破。他们成功研制出一种新型"铁电隧穿结"器件，这项成果发表于国际学术期刊《科学》。

铁电隧穿结可被形象地理解为一个微型"三明治"结构：上下两层是金属电极，中间夹着一层极薄的铁电材料。这种材料原本是绝缘体，电子无法通过；但当厚度减小到埃米级（不到1纳米）时，电子就能像"穿墙"一样隧穿而过。更重要的是，铁电材料的极化方向可以翻转，从而改变这堵"墙"的高度：墙矮时电子容易通过，电流大，代表一种状态；墙高时电子难以通过，电流小，代表另一种状态。两种状态之间的电阻差异越大，数据读取就越准确。

然而，长期以来，学界面临一个难题：传统铁电材料虽然能让电阻差异非常明显，但反复开关后容易疲劳，寿命有限；而新型二维滑移铁电材料虽然耐久性极佳，能承受超过1000亿次开关，但极化信号弱，电阻变化不明显，导致数据读取困难。

针对这一矛盾，研究团队创新性地引入三种关键功能层：氮化硼作为均匀的"薄墙"，减少漏电并提供稳定的隧穿势垒；二维滑移铁电材料作为可调控的"闸门"，通过原子层微小错动来改变势垒高度；单层石墨烯则作为灵敏的"感受器"，能察觉极化变化并调节电子数量。这三者协同作用，实现了"四两拨千斤"的效果，将微弱的极化变化转化为巨大的电阻差别。

实验数据显示，在0.5伏读取电压下，该器件的电阻开关比达到1.9×10⁷，比同类器件提高超过4个数量级。同时，它还能承受超过1000亿次开关，开态电流密度达每平方厘米222安培，并能在脉宽低至13纳秒的极短电压脉冲下可靠切换。

这项研究成果的意义在于，它同时兼顾了高读出信号、高耐久性、大电流、快速切换和低能耗等特性，突破了铁电隧穿结长期存在的瓶颈。随着大规模阵列和配套电路技术的完善，这类器件有望应用于更高密度、更低功耗的存储和存算一体芯片，使手机、电脑等设备在有限电量下承担更复杂的计算任务，推动新一代信息技术的发展。