2020年11月10日 | 铁电妙用大，下一代存储就靠它

整理自——interestingengineering

铁磁性是一种非常常见的现象，但铁电性，你可能没听说过，但它的原理几乎是一样的。

铁磁性是一种材料暴露在磁场中会变得具有磁性。这就是为什么我们可以用磁铁来吸取螺丝或其他本身不是磁铁的金属。铁电的作用方式与此类似，只是与电场有关。当铁电材料暴露在足够强的电场中时，它就会变成电极化。

回想一下，你可能学过亚铁材料，也就是含有铁的某些部分材料。铁磁性得名于这种性质，主要的材料是铁、钴和镍。而铁电性是因为它在原理上类似于铁磁性。

铁电材料如何工作

磁体是由南北两极指向不同方向的许多域组成;本质上说，细小的磁性物质散布在整个物质中。当磁场进入铁磁性材料的区域时，所有这些域的极点都开始与磁场对齐，这样一来，材料本身就变成了磁铁。

铁电材料也是如此。它们在材料中也有许多微小的晶体作为电偶极子。偶极子仅仅意味着它在晶体中有一个单独的正电荷和负电荷。当电场与这些晶体接触时，所有的偶极子都开始排列，或指向同一方向，使材料作为一个整体有一个正负两极。

铁电材料内部磁滞子晶体相互作用的图表。图中的箭头表示材料由具有电极化的不同域组成。当电场作用于材料时，这些区域与周围的其他区域对齐极化。

铁电材料最实用的功能是，当电场被移除时，偶极子仍保持原来的方向。这给了铁电材料“记忆”的特性。

这种记忆很强大，事实上，当一个新的电场作用于铁电材料时，虽然偶极子的方向会改变极化，但它们彼此滞后，改变得很慢。这种被称为磁滞现象，是什么导致了这种现象？

磁滞的原理

直到1935年，德国研究人员和科学家Ferenc Preisach发现了铁电材料中磁滞的真正原因，他把铁电材料中的晶体称为磁滞子。正如我们提到的，这些磁滞子可以改变它们的偶极子方向，但它们也可以不同的速度改变，而改变每一个磁滞子所需要的场强在一种材料中可能是不同的。这意味着，在铁电材料中，弱磁滞子可能会紧挨着强磁滞子，这意味着需要一个强电场才能使两者都对齐。极化开关的临界场强或最大场强的这种差异，造成了铁电材料的磁滞。

这一切都符合Preisach的模型，该模型描述了铁电材料的行为，一段时间以来，铁电材料一直是个谜。直到近一个世纪后的2018年，人们终于发现了它。

研究人员对铁电材料进行了详细的观察，发现了一堆圆盘状分子，大约有一纳米宽，几纳米长。这些堆被显示为磁滞体，并且相互强烈地作用。但是，每个堆栈都有不同的大小。正因为如此，极化率取决于每一堆的纳米结构以及堆之间相互作用的方式。

下图展示了这一发现，它来自于2018年发布的一项研究，并详细对此进行了说明。

但是，这些基础科学究竟如何适用于现代生活呢?我们为什么要关注铁电材料?这个就要回到了它们“记忆”极性的能力上来。存储记忆的分子是完美的应用程序。

铁电材料的应用

直到最近，铁电材料还不是计算机存储器的理想材料，甚至在这一行业中也不是很有用。这种材料有一个比例问题，要制造出足够小的铁电材料来有效地嵌入计算机里一直都很困难。当传统的铁电磁滞被缩小到所需的水平时，它们就失去了存储内存的能力，或者进入磁滞状态，因此无法达到预期目的。

但2018年发表了一项研究，详细描述了铁电材料的制造，其规模尺寸小到足以适合计算机内存的用用。在更低的温度下，用来培养铁电晶体的衬底也是铁磁的，这意味着理论上，你可以将磁和电储存在同一个驱动器上，从而成倍地增加存储容量。

虽然这在铁电材料的研究和大规模应用方面迈出了重要的一步，但要使这一概念在商业上具有可行性和可扩展性，还有很长的路要走。然而，铁电驱动可能成为未来计算机存储的新技术。

 铁电存储器

铁电存储技术最在1921年提出，直到1993年美国Ramtron国际公司成功开发出第一个4Kb的铁电存储器FRAM产品。

其基本原理是：当一个电场被加到铁电晶体时，中心原子顺着电场的方向在晶体里移动。当原子移动时，它通过一个能量壁垒，从而引起电荷击穿。内部电路感应到电荷击穿并设置存储器。移去电场后，中心原子保持不动，存储器的状态也得以保存。因此，在一个外加电场下，铁电材料的极化特性会发生改变，当这个电场去掉以后，这个信息仍然能够保存。没有外加电场的情况下，极化特性有两种稳定的状态。

相比之下，铁电电容的漏电流没有EEPROM、FLASH之类的传统非易失性存储器那么重要，因为FeRAM的信息存储是由极化来实现的，而不是自由电子。

此外，铁电材料还有其他应用，尤其是对电气工程师。

铁电的其他应用

铁电材料可以表现出高介电常数，这意味着它们可以很好地存储电能。这使得铁电体成为制造电容器的理想适材料。铁电材料对电场的潜在反应也意味着它们可以用作其他设备的指示器或开关。

例如，它们具有直接的压电效应，这使得它们可以用在加速计、麦克风和耳机上。而且，铁电材料可在机械应力下产生小电荷，这在将物理作用力如加速度或声音转换为电信号时很有用。

铁电材料表现出压电效应的能力也是相反的，它们也有一个反向的压电效应，即通过电场的应用产生机械应变。这是对偶极子改变极性的响应，这也使得铁电材料非常适合做致动器、谐振器和滤波器。

随着围绕基础物理的研究越来越深入，铁电性和具有这种性质的材料变得越来越有用。过不了多久，铁电就会像铁磁性一样成为我们周围世界的基本原理。虽然铁电性已经为人所知有一段时间了，但有关其使用的大部分基础研究都是在过去十年中进行的。

目前，铁电被证明是材料科学的另一个重要组成部分。