東京科學研究所團隊研製超微型鐵電隧穿結儲存器件 助智能手錶單次充電運作數月

東京科學研究所（Institute of Science Tokyo）的研究團隊近日宣布，他們成功製備出一種超小型新型存儲器件，尺寸越小性能越好，有望打破長期制約電子工業的小型化與低功耗極限，讓智能手錶等設備在單次充電後運行數月成為現實。 我們日常使用的手機和電腦在長時間運行後會發熱、掉電過快，其中重要原因之一就在於負責存儲數據和處理信息的電子電路和存儲單元持續消耗能量並產生熱量。

傳統存儲器通過控制電流在材料中流動的難易程度，將信息編碼為 0 和 1，如果能大幅降低這一過程所需的電能，終端設備的整體能耗就可以得到顯著壓縮。 早在 1971 年，被稱為鐵電隧穿結（Ferroelectric Tunnel Junction，FTJ）的存儲概念就已提出，它利用鐵電材料可翻轉的內部極化方向來調控電流通斷，從而存儲信息。極化狀態改變會影響電流是否容易通過，進而實現「寫入」和「讀取」。

然而，多年来困擾這一技術落地的難題在於：隨著器件不斷微縮，傳統材料的性能往往急劇下滑，使得進一步小型化受到嚴重限制。

氧化鉿材料開啟納米尺度新窗口

轉折點出現在 2011 年，當時有研究發現，半導體工藝中常見的氧化鉿材料在極薄尺度下依然可以保持穩定的電極化特性。這一發現為鐵電隧穿結在納米尺度的實現打開了新窗口。基於這一進展，東京科學研究所材料與結構實驗室的真島豐教授團隊，著手研發橫向尺寸僅約 25 納米的新型存儲器件，這一尺度大約只有人類頭髮直徑的三千分之一。 不過，將存儲單元縮小到如此極端尺寸，會帶來一個致命問題：材料內部由眾多微小晶粒構成，它們之間形成的晶界極易產生電流泄漏，這不僅浪費能量，還會破壞存儲狀態的可靠性，也因此長期被視為納米

化的一道「硬門檻」。 真島團隊選擇反向思考，不是回避這種泄漏，而是進一步把器件做得更小，用極端微縮來削弱晶界影響。同時，研究人員通過加熱電極，讓其在製備過程中自然形成近似半圓形的結構，使整個存儲單元更接近單晶形態，大幅減少晶界數量，從源頭降低電流泄漏路徑。 在這一獨特結構與極小尺寸的配合下，新型鐵電隧穿存儲器展現出優異性能，更重要的是，它打破了傳統電子器件「小到一定程度就會變差」的經驗規律：測試結果顯示，器件縮小反而帶來了更好的電學表現。

這一結論直接挑戰了業界長期奉行的設計假設，被研究團隊視作一次「逆向直覺」的重要突破。 如果這一技術能夠順利走向規模化應用，最直觀的改變將體現在終端設備的續航體驗上。研究團隊認為，未來智能手錶等可穿戴設備有望在單次充電後運行數月，而由大量傳感器構成的物聯網節點，也能在不頻繁更換電池的前提下長期在線工作，這將為低功耗聯網設備、邊緣計算節點等場景帶來顯著的能源優勢。

在人工智能領域，這種新型存儲還可望用於構建更節能的計算單元，在保證處理速度的同時顯著降低能耗，為大模型推理、邊緣 AI 推斷等應用提供硬件支撐。由於氧化鉿本身已與現有半導體製造工藝高度兼容，這種存儲結構在理論上可以較容易地整合進現有芯片生產線，從而加快從實驗室走向商用產品的進程。 談及這項成果的意義，真島豐教授表示，挑戰「不能再做得更小」「再縮小就會失效」這類看似絕對的科學邊界，就像在黑暗中摸索前行，是一場持續不斷的鬥爭。

他強調，正是通過不斷質疑傳統假設、嘗試以全新方式跨越這些「公認的限制」，團隊才得以從完全不同的視角重新審視器件小型化問題，並在此過程中收穫意想不到的突破。 真島希望，這項研究不僅能推動相關超低功耗存儲技術的實際應用，也能激發更多年輕人對前沿科學和工程問題的好奇與探索欲。「如果這項成果能喚起將要塑造未來的一代人的興趣，並為建設一個更美好的世界貢獻一份力量，我將感到非常高興。

」他說。