一、【科学背景】
在铁电体纳米电子学领域，带电畴壁（CDWs）作为具有独特电、磁功能的二维或准二维拓扑缺陷，是“壁即器件”理念的核心活性单元，在非易失性存储和逻辑器件中具有重要应用潜力。然而，传统铁电体多为三维晶体结构，导致畴壁难以突破二维维度限制，制约了器件集成密度的进一步提升。氟石型铁电体（如ZrO2）虽具备交替排列的二维极性层与非极性间隔层独特结构，相邻极性亚胞间相互作用极弱，为实现畴壁的一维限域提供了潜在体系，但此前一维带电畴壁的存在缺乏实验证实，且理论预测其因极高的束缚极化电荷密度易发生能量不稳定，传统依赖自由电子或空穴的电荷筛选机制也无法适配其原子尺度厚度的需求。
同时，即便假设一维带电畴壁可稳定存在，其与铁电体关键物理过程（如极化翻转、离子输运）的微观耦合关系仍不明确，且由于结构尺度极小，缺乏超高分辨率技术实现对其结构特征、稳定机制及动态行为的直接观测与验证，这些难题都成为制约铁电体器件向更高密度、更优性能发展的关键瓶颈。
二、【创新成果】
为解决传统铁电体中CDWs多为二维结构、器件集成密度受限，且一维CDWs因电荷补偿难题理论上难以稳定存在的核心问题，中国科学院物理研究所葛琛研究员，金奎娟院士和张庆华副研究员以具有交替极性/非极性亚胞结构的氟石型铁电体ZrO₂为研究体系，通过脉冲激光沉积法制备5 nm厚自支撑薄膜，并结合超高分辨率多层电子叠层成像、集成差分相衬扫描透射电镜等表征技术与原位电场操控手段，首次观测到180°头对头和尾对尾两种一维CDWs，其宽度和厚度均达到原子尺度（<2.7 Å），打破了畴壁必为二维的固有认知。揭示了独特的自平衡氧占位电荷筛选机制，使一维CDWs稳定存在。实现了电场驱动下一维CDWs的创建、运动与擦除，明确了极化翻转与氧离子跨域输运的微观耦合关系，且所制备异质结构在室温下展现出优于传统固体氧化物电解质的氧离子导电性，为下一代超高密度纳米电子器件提供了基础。该成果以“Observation of one-dimensional, charged domain walls in ferroelectric ZrO2”为题发表在国际学术期刊《Science》。
图1. 一维畴壁的概念与实现示意图。© 2026 AAAS
图2. 一维带电畴壁。© 2026 AAAS
图3. 氧化锆中一维H-H带电畴壁的运动特性。© 2026 AAAS
图4. 氟石型铁电体中带电畴壁运动与氧输运的耦合特性。© 2026 AAAS
三、【科学启迪】
这项工作以氟石型铁电体ZrO2为研究体系，首次观测到被限域于其2D极性层内、宽度和厚度均为原子尺度（<2.7 Å）的180°头对头（H-H）和尾对尾（T-T）一维带电畴壁，揭示了其通过自平衡氧占位补偿束缚电荷的独特稳定机制，实现了电场驱动下一维带电畴壁的创建、运动与擦除，明确了极化翻转与氧离子跨域输运的微观耦合关系，且所制备的HZO/LSMO/STO等异质结构在室温下展现出优于传统固体氧化物电解质的氧离子导电性，为下一代超高密度纳米电子器件的研发提供了基础，拓展了低维拓扑缺陷在材料科学领域的研究与应用边界。
原文信息：Hai Zhong et al. ,Observation of one-dimensional, charged domain walls in ferroelectric ZrO2. Science 391, 407-411 (2026).
