國際知名期刊「自然材料評論」(Nature Review Materials)刊登挪威科技大學(Norwegian University of Science and Technology, NTNU)材料科學與工程系教授團隊(Sverre M. Selbach與Dennis Meier)針對疇壁型電子元件(domain-walls based device)的研究論文，討論疇壁型電子元件科技之演進過程與該技術研發現況與未來展望。
鐵電性(ferroelectric)係某些固態材料內所存帶正、負電分離的電偶極(electric dipoles)—此正負電偶極以極短距離的間隔，保持彼此牽連。電偶極可因外部電場旋轉，外部電場消失時，位在同區域的電偶極有相同方向性，各區域電偶極會有不同方向。經研究發現，疇壁(domain-wall)就是區隔這些不同方向電偶極區域的介面。換言之，鐵電材料常是絕緣體，疇壁便是導體。疇壁可比擬一般電源線，差別僅在疇壁只有幾個原子寬，因此可以透過疇壁傳輸訊號，並且改變訊號之大小與波段。
疇壁型電子元件理論最早在1970年提出，受限於當時奈米電子技術還不夠發達，無法準確量測疇壁特性並予以驗證。時至今日，量測技術已大幅改善，甚至已經能模擬並預測每個原子對於該材料具體特性的影響。研究人員不僅可以操弄單一個疇壁，也能利用這些疇壁製作極微小的電子元件，如二極體、電晶體與邏輯閘，這些電子元件很大程度是利用疇壁內產生的對稱性破壞與材料缺陷。
挪威科技大學材料科學與工程系研發團隊Meier教授強調，儘管材料特性與對稱性相關已非新知，早在19世紀就由德國科學家Franz Ernst Neumann與Woldemar Voigt提出，該研發團隊的成就則是將類似技術應用在小了20萬倍的極微小的疇壁上。
研發團隊另一位Selbach教授指出，該研發項目終極目標是研發出接近原子大小的電子元件，僅靠很小的電力，或甚至完全不依靠電力便可運作。此構想在十年前，奈米電子元件研究鮮少使用疇壁技術之際，無人問津。而當下全球奈米材料研究社群都在積極研發如何運用疇壁型元件來取代傳統電子元件。
要研究極微小疇壁來設計電子元件，需要依靠各式先進顯微鏡以及超級電腦的模擬演算。該研究團隊利用挪威科技大學奈米實驗室與TEM Gemini中心的各式電子顯微鏡來量測材料奈米結構，亦使用Sigma2挪威國家超級電腦。
除了必要設備，人才與資金也是成功研發的關鍵。兩位教授帶領的是一群集合博士生、博士後研究員與工程師的聯合團隊，該團隊獲得歐洲研究委員會(European Research Council, ERC)180萬歐元研究經費補助，加上Meier教授自挪威科技大學所得之Onsager研究獎金所組成。Selbach與Meier研發團隊早自2016年起已在這領域發表多達60篇期刊論文，其中不乏在「自然」(Nature)、「自然材料」(Nature Materials)、「自然奈米科技」(Nature Nanotechnology)、「物理評論快訊」(Physical Review Letters)等知名期刊發表。
特約編輯：黃筠安
參考資料：
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Dennis Meier and Sverre M. Selbach, Ferroelectric domain walls for nanotechnology. Nature Reviews Materials, doi.org/10.1038/s41578-021-00375-z (2021)
