在过去的十年里，科学家和工程师一直在努力利用一种难以捉摸的铁电材料，即氧化铪或二氧化铪，来开创下一代计算内存。包括罗切斯特大学的 Sobhit Singh 在内的一组研究人员在《美国国家科学院院刊》上发表了一项研究，概述了使块状铁电和反铁电铪可用于各种应用的进展。

人工加工的二氧化铪为下一代存储设备铺平了道路

在特定的晶相中，二氧化铪表现出铁电特性，即通过施加外部电场可以在一个方向或另一个方向上改变电极化。这一特性可以在数据存储技术中得到利用。当用于计算时，铁电存储器具有非易失性的优点，这意味着即使断电它也能保留其值，这是与当今使用的大多数类型的存储器相比的几个优点之一。

“哈夫尼亚是一种非常令人兴奋的材料，因为它在计算机技术中的实际应用，特别是在数据存储方面，”机械工程系助理教授辛格说。“目前，为了存储数据，我们使用磁性形式的存储器，这些存储器速度较慢，需要大量能量才能运行，而且效率不高。铁电形式的存储器坚固耐用、速度超快、生产成本更低且能效更高”。

但是辛格在量子水平上进行了理论计算来预测材料特性，他说块状二氧化铪在基态下不是铁电体。直到最近，科学家们只能在将二氧化铪拉伸成纳米厚度的二维薄膜时才能使其达到亚稳态铁电态。

2021 年，辛格是罗格斯大学科学家团队的一员，该团队通过将铪与钇合金化并快速冷却，使铪保持在亚稳态铁电状态。但这种方法有一些缺点。“它需要大量的钇才能达到所需的亚稳态，”他说。

“因此，虽然我们实现了我们的目标，但同时我们也阻碍了材料的许多关键特性，因为我们在晶体中引入了很多杂质和无序。问题是，我们如何才能实现这一目标?亚稳态与尽可能少的钇以改善所得材料的性能?”

在这项新研究中，辛格计算出，通过施加巨大的压力，人们可以稳定亚稳态铁电和反铁电形式的块体二氧化铪——这两种形式对于下一代数据和能量存储技术的实际应用都很有趣。

由田纳西大学诺克斯维尔分校的 Janice Musfeldt 教授领导的团队进行了高压实验，并证明，在预测的压力下，材料会转变为亚稳相，并且即使在压力去除时仍保持在那里。

“这是实验理论合作的一个很好的例子，”穆斯费尔特说。

新方法只需要稳定剂的一半左右的钇，从而大大提高了生长的氧化铪晶体的质量和纯度。现在，辛格说，他和其他科学家将推动越来越少地使用钇，直到他们找到一种批量生产铁电铪以供广泛使用的方法。

随着铪因其有趣的铁电性而继续引起越来越多的关注，辛格正在美国物理学会2024 年 3 月会议上组织一场关于该材料的受邀焦点会议。