2026年5月13日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所宋志棠研究员团队在国际顶级期刊《Nature Communications》发表重要研究成果。论文题为“Non-Arrhenius threshold switching by field-driven dipolar ordering”（图1）
针对硫系非晶材料结构无序性长期阻碍阈值转变机制解析、制约相关存储技术发展的难题，结合原子分辨率埃束电子衍射与电场耦合从头算分子动力学，首次在皮秒时间尺度捕捉到非晶GeSe中电场驱动Ge（+0.23 Å）和Se（-0.21 Å）原子发生反向位移并形成一维偶极有序链的动态过程（该结构由间距1.95 Å的双衍射斑点实验佐证）。这一发现揭示了偶极有序化引导导电通道生长的新机制，此电场诱导的非阿伦尼乌斯过程突破了传统热激活理论的速度极限。基于此，实现了在单一材料中通过偶极诱导的阈值电压不对称性构建自选通存储器（selector-only memory），从而获得选通与存储双功能特性。也为非晶硫系材料在新型存储与神经形态计算领域的应用奠定了理论基础。
图1 中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究团队在《Nature Communications》上发表了阐述硫系非晶阈值开关 (threshold switching) 与自选通存储 (selector-only memory) 核心物理机理论文。
图2 利用透射电镜埃束电子衍射(ABED)技术在电操作后的硫系非晶器件中观察到局部有序结构。
图3 外加电场的分子动力学模拟表明，Ge和Se原子分别沿着电场方向发生逆向迁移（平均位移为±0.2 Å左右），形成Ge在下、Se在上的极化键构型。该微观结构构建了具有一维特征的偶极链，其埃束电子衍射（ABED）模拟结果与实验观测高度吻合。
图4 基于分子动力学模拟的不同电场操作下电子结构与电学特性关联。快速淬火与缓慢退火的非晶模型分别呈现带隙中间缺陷态与约0.7 eV的PBE带隙；电场强度依赖的带隙变化：在0.02 V/Å低电场下，体系弛豫至势能更低的稳态，带隙微增；在0.04 V/Å临界电场下，体系势能升高促使偶极矩剧增，负的电势能降低体系自由能，并在HOMO能级附近诱导产生离域的LUMO态。该LUMO态沿电场方向贯通形成导电通道，其结构起源源于偶极链引发的局部非晶构型畸变与应变能升高，导致电子态离域化。这种电操作诱导的偶极构型进一步导致了器件在不同极性操作下的阈值电压不对称性，为自选通存储器（SOM）的工作机制提供了微观解释。
图5 电场诱导偶极响应的理论与实验关联。分子动力学模拟显示，随着电场强度增加，体系总偶极矩显著增大；宽频介电谱测试结果证实，GeSe非晶薄膜在交变电场下表现出强烈的偶极弛豫响应，与模拟预测的极化行为高度吻合。
我所宋文雄副研究员、华东师大时光洁博士、北航胡奇副教授为共同第一作者，宋志棠研究员、宋三年研究员、华东师大成岩教授为通讯作者，中科院上海微系统所为第一完成单位。该研究工作还得到北京航空航天大学刘利民教授、复旦大学朱凡教授、上海硅酸盐研究所陈莹副研究员、韩国国立首尔大学Cheol Seong Hwang院士、英国研究与创新署（UKRI）Gilberto Teobaldi博士及比利时微电子研究中心（IMEC）Sergiu Clima博士的大力支持。相关工作得到了科技创新2030—“新一代人工智能”重大项目(2022ZD0117602)，国家自然科学基金（62374171, 52225308, 52533010, W2412084），中国科学院战略性先导科技专项（B类）(XDB0670000)、上海市自然科学基金 (23XD1404700, 25JD1406500, 26HD0700300)的联合资助。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-72970-z
