在人工智能迅猛發展的今天，傳統芯片架構正遭遇“功耗牆”與“存儲牆”的雙重圍堵——計算與存儲分離導致海量數據搬運，能耗過大、效率受限。如何讓芯片既快速又省電？北京大學化學與分子工程學院彭海琳教授團隊給出一項突破性答案：他們成功研制出全球首個晶圓級超薄、均勻的新型鉍基二維鐵電氧化物，並基於此構建出工作電壓超低（0.8伏）、耐久性極高（1.5×1012次循環）的高速鐵電晶體管，其綜合性能全面超越當前工業級鉿基鐵電體系。相關成果日前在線發表於國際學術期刊《科學》。

彭海琳介紹，長久以來，鐵電材料因其可逆極化與非易失存儲特性，被視為打通存算一體、突破馮·諾依曼架構（在馮·諾依曼架構下，計算和存儲是相互分離的）瓶頸的關鍵。然而，當芯片工藝逼近亞5納米（小於5納米）節點，傳統鐵電薄膜面臨均勻性差、界面缺陷多、厚度減薄后鐵電性驟降等難題。研究團隊創新性依托其自主研發的高遷移率鉍基二維半導體Bi2O2Se（硒氧化鉍），首次實現了原子級平整的二維鐵電自然氧化物Bi2SeO5（硒酸鉍）及異質結構晶圓級均勻制備。這種新型鐵電氧化物不僅具有高達24的介電常數和超過600℃的高溫結構穩定性，更在單晶胞厚度（約1納米）下仍保持優異鐵電性，徹底擺脫了傳統鐵電材料的尺寸限制。

在此基礎上，研究團隊還制備出高性能鐵電晶體管陣列，能效領先其他存儲技術1至2個數量級，並展現出32個穩定多級存儲態與超10年數據保持能力。尤為亮眼的是，在0.8伏超低電壓和20納秒高速寫入條件下，器件經受住1.5萬億次循環考驗，可靠性遠超雲端AI計算的嚴苛標准。更進一步，團隊利用該器件構建出可動態重構的存內邏輯電路——在低於1伏的常規CMOS電壓下，同一器件既能執行邏輯運算，又能切換為非易失存儲，真正實現“一器兩用”，為未來自適應智能芯片開辟了新范式。

審稿人評價，該工作“解決了二維鐵電材料晶圓級集成難題，彰顯出顯著的應用潛力”，並“對鐵電材料和器件領域產生深遠影響，為鐵電二維電子學發展打開了大門”。

“這項原創成果為發展下一代高性能、低功耗芯片技術提供了全新的材料平台與集成路徑。”彭海琳說。