与人类不同，当计算机“大脑”进化时，它们会变得越来越小。这是因为当芯片上有更多组件时，执行计算和整合存储信息的组件工作效率更高。

稳定更快的纳米级计算机内存存储

然而，当芯片特征尺寸变得太小时，比如说，到纳米尺度，它们的物理和材料特性可能会发生变化，从而降低它们完成工作的可靠性。在过去的十年中，科学家们在发现新物质方面取得了长足的进步，这些物质随着尺寸的缩小而变得越来越稳定，这暗示着可以将更小的存储设备集成到硅计算机处理单元(CPU)上以提高速度和功能的前景。

其中一种化合物是二氧化铪(HfO2)，人们发现这种材料即使在几纳米尺度(~2nm)也能保留一种理想的特性，即铁电性。当铁电材料暴露于足够强的外部电场时，它会发生强烈的电极化，这是一种材料正负电荷偶极子对齐的状态。铁电材料的优点在于，即使移除外部电场，这种极化仍然存在，类似于铁钉如何被永久磁化。这种持久的极化意味着材料会记住它最后被电极化的方向。

HfO2的特别之处在于它可以在缩小的维度上快速切换向上或向下模式(对应于计算机使用的1和0)，然后保留此信息直到再次切换。但它如何能够实现这一壮举仍然是个谜。

现在，由艺术与科学学院Blanchard化学教授AndrewM.Rappe领导的一组研究人员揭示了HfO2如何在这些条件下保持其铁电相，并解释了它如何保持稳定。

他们的研究发表在ScienceAdvances上，详细介绍了HfO2在薄膜上生长时如何经历两步转变，从而导致其原子排列发生变化。这使得它能够“从一个不是很有用的阶段过渡到一个可能对下一代信息存储设备有用的特殊阶段，”该论文的共同第一作者、博士后研究员SongsongZhou说。在文理学院。

“解释这种相变机制的普遍看法是，它要么是简单的单一适当相变，要么是罕见且复杂的不适当相变，”周说。“然而，我们能够提出第三种替代方案：在薄膜上生长产生的张力和HfO2极化状态的非常规变化联系在一起，以驱动一个全新的反应，该反应会诱发反铁电状态，从而实际稳定HfO2的铁电态。”

让一种材料同时具有铁电性和反铁电性的能力是一个重大的惊喜发现。研究人员的印象是这些是竞争状态，因为反铁电材料的电荷在上下交替，与单向铁电荷相反。“我们的模型为理解能够在纳米尺度上保持偏振态的材料的相变提供了一个新的框架，”该论文的共同第一作者、六年级博士张家豪说。化学系学生。

“HfO2和其他一些材料正在竞争成为成功的计算机存储材料，但它们目前都存在问题，”Rappe说。“为了更深入地了解HfO2中的铁电机制，我们的工作解决了其中的一些问题，并为开发下一代材料铺平了道路，这些材料有朝一日可以很快将处理和存储集成到一个芯片上。”

接下来，研究人员将在他们的模型的基础上不断融合实验和理论见解，以驾驭纳米材料世界。