2026年1月29日，北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授研究团队在《科学》（Science）在线发表了题为《晶圆级超薄且均匀的范德华铁电氧化物》“Wafer-scale ultrathin and uniform van der Waals ferroelectric oxide”的研究长文（Science 2026，391，eadz1655），报道了一种新型高介电常数（κ）范德华铁电材料α-硒酸铋（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，并构筑了工作电压超低（0.8V）、耐久性极高（可循环1.5×1012次以上）的高速铁电晶体管，其综合性能显著超越了现有工业级铪基铁电体系，是目前已知工作电压最小、能耗最低且耐久性最优的铁电晶体管。进一步地，成功构建了可在CMOS兼容低电压（＜1V）下动态重构的存内逻辑运算电路。该工作在国际上首次展示了高性能晶圆级二维铁电材料体系，为开发高能效先进芯片提供了突破性的材料基础与可行技术路径，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。
在人工智能（AI）时代，对高算力与低能耗芯片的需求日益迫切。传统冯·诺依曼计算架构因存储与计算单元分离，导致数据传输延迟大、能耗高，使芯片发展长期受限于“功耗墙”与“存储墙”。为此，具有快速翻转极化特性的非易失性铁电材料，为发展存算一体架构提供了机遇。其中，铁电场效应晶体管兼具逻辑与存储功能，被视为构建下一代高能效嵌入式存储器与存算一体芯片的核心器件。然而，其实用化面临一项关键挑战：必须在晶圆级制备出均匀、稳定超薄铁电薄膜。当薄膜厚度减薄5纳米乃至原子层级时，传统铁电材料的自发极化会显著退化，界面去极化效应亦随之加剧，导致器件性能严重下降。因此，如何在原子级厚度下保持铁电特性并实现可靠、一致的晶圆级集成，已成为研制高能效铁电存算一体芯片必须攻克的核心难题。
图1. 晶圆级范德华高κ铁电氧化物/高迁移率二维半导体异质结及其高性能铁电晶体管器件示意图
聚焦产业前沿瓶颈：高品质铁电材料的制备困境
随着AI、云计算、大数据和5G等技术的快速发展，对芯片性能的要求持续攀升。沿用数十年的冯·诺依曼架构因计算与存储分离，严重制约系统能效的提升。铁电材料凭借“自发极化”特性，被视为突破传统架构、构建下一代存算一体芯片的关键所在。铁电晶体管（FeFET）巧妙地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，尤其适用于存算一体及神经形态计算等先进架构。
然而，要实现与先进制程兼容的实际应用，仍需突破关键瓶颈：高品质铁电超薄膜的均匀可控制备。当前主流的铪基铁电材料虽与硅工艺兼容，但在晶圆级、超薄化制备时，仍面临均匀性不足与铁电性衰退等问题。因此，亟需发展兼具晶圆级均匀性、超薄稳定铁电性，且与半导体产线高度兼容的新型铁电材料，以真正释放存算一体芯片的潜力，推动其从实验室走向规模化应用。
深耕关键材料创新：新型铋基二维高κ铁电氧化物体系
为突破传统芯片架构“功耗墙”和“存储墙”制约，彭海琳课题组一直致力于探索适用于后摩尔时代非冯·诺依曼架构先进芯片的新材料体系。早在2018年，课题组便率先发现铋基二维半导体Bi2O2Se的原生氧化物α-Bi2SeO5，并通过理论计算预测其具有铁电性。但从理论到验证是一条漫漫长路。受限于材料、器件与表征等多重瓶颈，该推测迟迟未能获得实验支撑。
经过近8年的不懈探索，课题组终于首次在实验上确证了α-Bi2SeO5的铁电性，更建立了一套后道工艺兼容（≤400°C）的原位氧化制备方法，实现了超薄铁电薄膜的晶圆级均匀制备（图1）。凭借独特的范德华层状结构，α-Bi2SeO5即使薄至单层仍能保持稳定铁电性，成为实现原子级厚度非易失存储器及亚5纳米三维存算一体架构的理想材料，为突破现有芯片性能边界打开了全新可能。
图2. 二维高 κ 铁电氧化物α-Bi2SeO5的晶圆级均匀制备及铁电性
突破器件性能极限：超低工作电压、高耐久的二维铁电晶体管及电路
该研究工作进一步成功制备了高性能铁电晶体管阵列（图3）。该器件在0.8V超低电压和20ns高速写入条件下，实现了超过1.5×1012次的循环耐久性，同时具备超过10年的保持时间、5bit多级存储态以及2.8 fJ bit−1μm−2的超低能耗，已超越同类型器件的工业最高水平，完全满足云端AI计算对可靠性的严苛要求。这项工作突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，为面向AI计算需求的低功耗、三维集成存算一体架构提供了极具潜力的解决方案。进一步构建的可动态重构存内逻辑运算电路在CMOS常规低工作电压（＜1V）下即可实现“一器两用”的可重构逻辑功能（图4），充分展示了其在下一代存算一体架构中的重要应用潜力，为构建自适应、低功耗的智能计算系统奠定了关键器件基础。
图3. 二维α-Bi2SeO5/Bi2O2Se铁电晶体管器件及性能
图4. 低功耗二维α-Bi2SeO5/Bi2O2Se铁电晶体管基可重构存内逻辑电路
审稿人评价认为：“该工作不仅突破了传统铁电材料的厚度极限与集成难题，也为铁电二维电子学开辟了新路径——Bi2SeO5铁电层作为二维半导体Bi2O2Se的自然氧化物，具备天然的集成优势。铁电晶体管展现出优异的存储性能和高度均一性，彰显出显著的应用潜力。”“这项工作将对铁电材料和器件领域产生深远影响，为铁电二维电子学打开了大门。”
综上所述，该研究在国际上首次实现了晶圆级超薄均匀的二维铁电氧化物薄膜制备以及与二维半导体的三维异质集成，并研制了超低工作电压与超高耐久性的铁电晶体管及可重构存内逻辑电路。该研究同时突破了铁电材料制备与铁电器件性能极限，为下一代高性能、低功耗芯片技术提供了全新的材料平台与集成方案，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。
该论文通讯作者为彭海琳及团队的特聘副研究员刘洪涛，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。该工作合作者还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。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、新基石科学基金会等项目的资助，并得到了北京大学化学与分子工程学院分子材料与纳米加工实验室（MMNL）仪器平台的支持。
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