文|知社学术圈 阿难

1月14日，Nature 上线两篇很有意思的研究论文，都是关于负电容的，从不同的角度对这个热门话题进行了诠释。这两篇文章从近一个世纪的经典理论出发，殊途同归，再发两篇Nature妙文，对比阅读，颇有启迪。

要了解负电容的意义，首先要了解所谓的波尔兹曼暴政，“Boltzmann tyranny”，即电子器件功耗下限受Log（kT/ Q）制约，源于Fermi-Dirac统计，其中k即波尔兹曼常数，T是温度，Q是电荷。十年前，Salahuddin and Datta 提出用铁电材料负电容提升铁电介电异质结构电容，从而降低电子器件功耗，推动其进一步微型化。问题是，负电容如一现的昙花，迄今为止，人们还没有一窥其真容，只能偶尔看见模糊的影子。

美国小组论文图一：铁电材料双势阱能量结构和负电容区

困难在什么地方呢？ 来自美国和德国的两个研究小组不约而同地从Landau-Gingzburg-Denvonshire （LGD）经典的唯像理论入手，也就是大家熟知的双势阱能量结构，有图有真相。

德国小组论文图一：铁电材料双势阱能量结构和S形PE曲线

这个双势阱能量结构，与通常介电材料的平方曲线，显著不同，很多做铁电的研究者，尤其是理论工作者，翻来覆去不知道玩过多少花样。有意思的是中间能量势垒部分，二次导数为负的区域，对应的正是负介电常数。问题是，这个区域就热力学而言，是不稳定的。这也是人们难以窥得昙花一现的原因。

提出来了共同的问题，两个小组就此分道扬镳。美国团队凭着Ramesh和陈龙庆的拿手好戏，生长出漂亮的STO/PTO超晶格，在TEM下展现出楚楚动人的涡旋结构，如下图所示。

不过，这个涡旋结构已经发过Nature了。这篇最新文章的卖点，是以新的透视电镜技术，同时测量出原子尺度的极化和电场分布。这样通过积分，即可求得能量分布，进而分析其导数，如下图所示。的确，在涡旋中间高能区，存在明确的负电容，而且这样一个结构是稳定的，也可以用相场模拟和第一性计算完美重现。

美国小组的工作，可以看作以空间换时间，在微纳尺寸，找到宏观稍纵即逝的负电容区域，可谓四两拨千斤，用的是巧劲。当然这巧劲背后，是纯TEM技术活，关键在于对极化和电场的原子尺度测量。不过，一般人即使看到这样的涡旋和电场，又如何能联系上负电容，讲一个漂亮的故事呢？ 技术还是需要功底和领悟引领。

德国这个小组，则是简单粗暴，正如标题所宣示，就是要找到双势阱能量结构那昙花一现的不稳定部分。这显然不是一件容易的事情。如果做一个通常的HZO铁电电容器结构进行测量，看到的是下图这样的典型铁电回线，不稳定区域被直接跳过。

因此，他们做了一个如下图所示的铁电介电异质结构。这个构型无论是材料还是结构，其实并没有过人之处。亮点在图d的脉冲电压和图e所测定电流，达到了100ns的分辨。这样就可以积分出图f的电荷，粗看也没有什么特别，但可以从其中分析可逆充放电荷Q（图g）。将这个可逆电荷Q随HZO上电场变化曲线画出来，Bingo, 一段漂亮的S曲线跃然纸上！ 再积分一次，人们梦寐以求的双势阱能量结构势垒不稳定区域，终于被实验所测量（图h）！ Denvonshire可以含笑九泉了。

德国小组这个工作，可谓Brute Force，你变化快，我要比你更快！ 前几个月，这个小组还在JAP发过一篇关于铁电负电容畴动力学的文章，基于PZT的，奠定了这篇Nature的基础，对铁电负电容也有更详细的叙述，大家可以参考。

两个小组殊途同归，都窥得难得一见的铁电负电容的真容。巧劲也罢，蛮力也罢，背后都是精湛的技术和深刻的领悟。读后一点浅见，与大伙分享，并以此文献给赏大家饭吃的Denvonshire。