在国家自然科学基金项目（批准号: 12222414、52322212、12174437、52025025、52421001、52250402、12304123）等资助下，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心金奎娟院士、葛琛研究员、张庆华副研究员及其合作者，在铁电畴壁研究领域取得新进展：在萤石铁电薄膜中发现了具有亚单胞极限尺寸的一维带电畴壁新物态，并实现了对它们的人工操控。该成果于2026年1月22日以“铁电ZrO2中一维带电畴壁的观测（Observation of one-dimensional, charged domain walls in ferroelectric ZrO2）”为题发表在《科学》（Science）杂志上，论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb7280。
铁电畴壁往往展现出迥异于畴区的物理性质。剑桥大学J. F. Scott和加州大学R. Ramesh等人在《现代物理评论》（Review of Modern Physics）中提出了“畴壁即器件（the wall is the device）”。畴壁纳米电子器件已经在非易失存储和人工智能等领域展现出应用前景。在三维铁电晶体中，畴壁通常被认为是具有纳米级厚度的二维结构，如何获得具有极限尺寸的畴壁进而提高器件密度是该领域的关键科学问题。
萤石结构铁电体的出现为解决这个问题带来了新机遇。它们的三维晶体结构是由二维极性层和非极性层交替排列组成，铁电极化被限制在二维极性层中。声子平带理论表明非极性层的存在解耦了相邻极性层的相互作用，各极性层可独立发生极性切换而保持稳定。据此推断，在这些二维极性层中可能存在受维度限制且可独立运动的带电畴壁，然而相关研究因极具挑战而尚属空白。
研究团队通过激光分子束外延方法制备了自支撑萤石结构铁电薄膜，并将其转移用于平面视角成像。利用多层切片电子叠层成像技术，直接实验观测到了被限制在极性层中的头对头和尾对尾型一维带电畴壁新物态。它们呈现出亚晶胞大小的极限尺寸，厚度和宽度分别约为2.55 Å和2.70 Å。对畴壁附近氧占位的定量分析揭示了这些带电畴壁的自平衡氧占位的电荷屏蔽机制。团队进一步实现了对一维头对头带电畴壁的可控写入、移动与擦除。这些畴壁可在相邻极性层内进行操纵，预示了其在高密度多态存储器中的应用潜力。此外，这种携带氧的一维带电畴壁在电场驱动下的运动，揭示了极化翻转与氧离子输运之间的微观耦合机制。
该工作拓展了人们对于三维晶体中畴壁为本征二维结构的传统认知，为开发具有极限密度的人工智能纳电子器件提供了科学基础。
图 铁电ZrO2中的一维带电畴壁。铁电ZrO2结构的卡通示意图以及限制在二维极性层内的“头对头”和“尾对尾”型带电畴壁的原子模型