在人工智能算力需求呈指数级增长的当下，传统芯片架构正遭遇日益严峻的"功耗墙"与"存储墙"双重困境——计算单元与存储单元物理分离导致的频繁数据搬运，已成为制约系统能效与性能的核心瓶颈。如何让芯片在提升算力的同时实现数量级的功耗优化？北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授团队给出了一项突破性答案。
材料突破：源自八载深耕的铋基二维体系
2026年1月29日，国际顶级学术期刊《科学》（Science）在线发表了彭海琳课题组题为《晶圆级超薄且均匀的范德华铁电氧化物》的研究长文（Science 2026, 391, eadz1655）。该工作报道了一种新型高介电常数（κ）范德华铁电材料——α相硒酸铋（α-Bi₂SeO₅），首次在晶圆级尺度上实现了超薄、均匀铁电薄膜及其异质结构的可控制备，并基于此构建出工作电压超低（0.8伏）、耐久性极高（超过1.5×10¹²次循环）的高速铁电晶体管阵列，其综合性能全面超越当前工业级铪基铁电体系。
值得关注的是，这一突破并非偶然发现，而是课题组在铋基二维材料领域近八年持续深耕的结晶。早在2017年，彭海琳团队便率先发现并制备出新型超高迁移率二维铋基半导体硒氧化铋（Bi₂O₂Se），其载流子迁移率（~450 cm² V⁻¹ s⁻¹）显著优于硅及其他二维半导体材料，奠定了铋基二维材料体系的基础。2018年，课题组进一步发现Bi₂O₂Se可氧化形成两种原生高κ氧化物，并通过理论计算预测α-Bi₂SeO₅可能具有铁电性。然而，从理论推测到实验证实，受限于材料制备、器件加工与表征技术等多重瓶颈，这条验证之路走过了近八年。
技术深析：破解铁电微缩"三重困境"
铁电材料的战略价值与产业化瓶颈
铁电材料凭借其"自发极化"特性——在外加电场下极化方向可快速可逆切换，且断电后能长期保持——被视为突破冯·诺依曼架构、构建存算一体芯片的关键候选材料。其中，铁电场效应晶体管（FeFET）将存储与计算功能融合于单一器件，为晶体管赋予"记忆"能力，从根本上消除数据频繁搬运带来的能耗与延迟。
然而，要将铁电材料推向实用化，必须攻克一道核心难题：如何在晶圆级实现超薄、均匀、稳定的铁电薄膜制备？当芯片工艺逼近亚5纳米节点，传统铁电薄膜面临三重困境：**厚度减薄后的铁电性骤降、界面缺陷导致的可靠性退化、以及大面积均匀性差**。当前主流的铪基铁电材料虽与硅工艺兼容，但在厚度低于5纳米时，多相共存、结构缺陷、晶粒不均等问题导致性能急剧衰退。
创新路径：原位氧化构建原子级完美界面
研究团队提出了一条全新的解决路径——依托其自主研发的高迁移率铋基二维半导体Bi₂O₂Se，通过后道工艺兼容（≤400°C）的原位受控氧化方法，首次实现了原子级平整的二维铁电自然氧化物α-Bi₂SeO₅及Bi₂SeO₅/Bi₂O₂Se异质结构的晶圆级均匀制备。
这一方法的精妙之处在于：通过精确可控的逐层氧化，在二维半导体表面"生长"出具有原子级锐利界面的铁电层，避免了传统转移或原子层沉积工艺中难以消除的界面陷阱与悬挂键缺陷。原子力显微镜与二次谐波成像显示，4英寸晶圆范围内薄膜厚度波动低于5%，为大规模器件一致性奠定了基础。
更为关键的是，这种新型铁电氧化物展现出惊人的尺寸耐受性：即使在单晶胞厚度（约1纳米）下，α-Bi₂SeO₅仍保持稳定的面外与面内耦合铁电性，剩余极化强度高达约22 μC cm⁻²，介电常数达24，居里温度超过880 K（约607℃）。这意味着该材料从根本上摆脱了传统铁电材料的临界尺寸限制，为亚5纳米三维存算一体架构打开了全新可能。
性能突破：创纪录的低功耗与超高可靠性
基于这一材料体系，研究团队在2英寸晶圆上构建了超过一万只Bi₂SeO₅-Bi₂O₂Se铁电晶体管阵列，器件性能展现出多项刷新纪录的指标：
超低工作电压：在仅0.8伏的写入电压下即可稳定工作，与常规CMOS逻辑电压完美兼容，无需额外电荷泵电路
超高循环耐久性：在20纳秒高速写入条件下，器件经受住超过1.5×10¹²次极化翻转循环考验，较现有最先进的二维FeFET高出1至2个数量级
优异的数据保持能力：加速老化测试推算出室温下数据保留时间超过40年，313 K（约40℃）下仍可达10年
多级存储能力：通过部分极化翻转实现5比特（32个稳定态）多级存储，各状态区分度超过3σ
极低能耗：单位面积能耗仅2.8飞焦耳/比特/微米²，能效领先其他存储技术1至2个数量级
优异的一致性：随机选取200个器件测试显示，器件间阈值电压差异小于5%，开/关比超过10⁶
这一系列指标集体打破了传统铁电材料在"保持时间与耐久性""速度与能耗"之间的性能制约，完全满足云端AI计算对可靠性的严苛要求。
机制解析：范德华界面的双重保护
如此超强的可靠性从何而来？研究团队通过原子分辨扫描透射电镜观察到，即使在经历万亿次极化翻转循环后，Bi₂O₂Se-Bi₂SeO₅界面仍保持结构完好，未发现传统铁电体中常见的晶格坍塌或缺陷堆积现象。
机理分析揭示，这主要归功于双重保护机制：首先，**范德华界面**有效抑制了电荷缺陷的远距离扩散；其次，铁电氧化物中的**Bi₂O₂层具有自发电荷补偿作用**，能动态中和极化翻转过程中的空间电荷积累。密度泛函理论计算进一步支持这一观点——带电缺陷迁移进入Bi₂O₂层的能垒高达约2.56 eV，从动力学上阻止了缺陷导致的性能退化。
应用前景：存算一体的可重构逻辑电路
基于上述器件优势，团队进一步展示了该体系在低功耗逻辑-存储融合中的潜力。通过调控极化状态，同一FeFET可在"普通晶体管"与"非易失存储单元"之间自由切换，构建出**亚1伏工作电压下的可重构存内逻辑运算电路**。
演示电路中，基于FeFET构建的逻辑反相器展现出约15的电压增益，在不同极化状态下可输出稳定的逻辑"0"或"1"，受输入干扰小。电路操作能耗仅0.43皮焦耳，静态功耗低至30皮瓦，经过100次以上稳定性测试未见明显退化。这种"一器两用"的能力，为未来自适应智能芯片、边缘计算和类脑计算架构开辟了全新范式。
同行评价与展望
该工作的创新性与突破性获得了国际同行的高度评价。审稿人指出，该研究"解决了二维铁电材料晶圆级集成难题，彰显出显著的应用潜力"，并"对铁电材料和器件领域产生深远影响，为铁电二维电子学发展打开了大门"。麻省理工学院教授苏拉·奇玛在《科学》上评论称，"这项研究的核心价值，就在于同时驯服了这三只‘拦路虎’，还造出了性能顶尖的晶体管与存算一体器件"。
"这项原创成果为发展下一代高性能、低功耗芯片技术提供了全新的材料平台与集成路径。"论文通讯作者彭海琳教授表示。该研究同时突破了铁电材料制备与铁电器件性能极限，标志着"超越摩尔"路线实现了从材料创新到功能验证的重要跨越，有望推动人工智能硬件向更高算力、更低功耗的方向持续发展。
该论文的第一作者为北京大学化学与分子工程学院博雅博士后武钦慈，博士研究生李忠睿、韩秉辰、孙玮玉、刘沁纭及薛骋远。合作者包括北京大学物理学院高宇南研究员和宾夕法尼亚州立大学颜丙海教授等。研究工作得到了国家自然科学基金、科技部、新基石科学基金会等项目的资助。