1.北京大学彭海琳课题组报道新型铋基二维铁电氧化物突破铁电晶体管超低电压、高耐久极限
2.中国科大提出不需要共同参考系的分布式量子传感协议
3.全球首次实现二维电子器件的太空在轨验证，复旦团队成果登《自然》主刊
1.北京大学彭海琳课题组报道新型铋基二维铁电氧化物突破铁电晶体管超低电压、高耐久极限
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。（北京大学）
2.中国科大提出不需要共同参考系的分布式量子传感协议
近日，我校郭光灿院士团队在分布式量子传感研究中取得突破性进展。该团队李传锋、陈耕等人提出一种反向编码协议，打破了由于共同参考系缺失造成的“禁戒定理”（No-go theorem）。相关成果发表在国际知名期刊《自然·通讯》上。
大空间尺度下的分布式量子传感可以通过在多个观测点间分享量子纠缠，提升测量的准确性和精度。然而在真实场景中，由于不同观测点之间天然缺乏共同参考系而无法提取全局信息，这个限制是物理世界本征的局域性和对称性共同设置的“禁戒定理”。针对该难题，研究团队首次提出一种反向编码协议。该协议通过打破编码过程中的对称性，成功克服了这个“禁戒定理”，可在仅使用局域操作的情况下完全恢复量子费舍尔信息，并实现海森堡极限的测量精度。
图1：分布式量子传感场景
在量子信息处理中，精确的参考系如同航海中的“罗盘”或建筑中的“标尺”，是定义量子比特状态（如光子偏振、原子自旋）的基础。然而在分布式量子网络任务中，例如相距遥远的星载量子传感器或全球时钟同步网络，由于站点间的空间分离、相对运动或环境干扰等，建立一个精确统一的共享参考系往往极其困难甚至不可行。这种“标尺”的缺失会导致两类严重后果：一是受到“禁戒定理”的限制，即如果编码过程仅限于本地，那么参考系的平均效应将完全抹除所编码的信息，这也成为阻碍分布式量子传感走向实用化的核心瓶颈。二是产生类似退相干的噪声，破坏量子态的相干性。
针对这一挑战，研究团队不再试图耗费资源去“对齐标尺”，而是另辟蹊径，建立了一套全新的理论框架。研究人员提出一种基于两拷贝局域幺正不变网络态的“反向编码”策略。如果将参考系失准比作一种“旋转迷雾”，传统的同向编码方式会让信号淹没在迷雾中无法识别。而团队提出的“反向编码”策略，则是在两个量子态拷贝上施加相反的参数编码操作。这种操作巧妙地打破了拷贝之间的交换对称性，使得被编码的参数信息不再被“旋转迷雾”掩盖。
图2：两拷贝局域幺正不变“反向编码”协议
理论推导与数值模拟表明，该协议不仅能够通过多拷贝“免疫”参考系失准带来的噪声，还能在局域操作下完整地恢复量子费舍尔信息。更为关键的是，对于共享了纠缠态的N个观测点，该方案能够保持1/N的海森堡极限精度。此外，研究团队进一步证明仅需对本地的两个粒子采用简单的“局域贝尔态测量”就能以最优的方式提取全部信息，而无需额外的辅助量子比特或非局域操作。这一发现极大地降低了实验实现的复杂度。
该工作从理论上扫清了分布式量子传感在无共享参考系下应用的根本障碍，提出的方案基于现有的成熟的量子技术就可以实现。该协议为未来构建高精度的星地量子传感网络、分布式光钟等实际应用奠定坚实的理论基础。
论文的第一作者为中国科学技术大学博士生许华卿和李恭初。该研究得到了国家自然科学基金委、合肥国家实验室和中国科学技术大学等的资助。（中国科学技术大学）
3.全球首次实现二维电子器件的太空在轨验证，复旦团队成果登《自然》主刊
复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室集成电路与微纳电子创新学院周鹏、马顺利研究团队研制“青鸟”原子层半导体抗辐射射频通信系统，依托“复旦一号”（澜湄未来星）卫星平台，在国际上首次实现基于二维电子器件与系统的在轨验证，开辟了原子层半导体太空电子学领域标志着人类向构建高可靠、轻量化太空电子系统迈出关键一步。相关成果于北京时间1月29日凌晨发表于《自然》（Nature）。
人类正不断刷新太空探索的边界，从火星探索到新一代全球通信网络卫星星座的编织，高性能通信系统始终是太空任务的“关键纽带”。然而，在太空中，高能粒子等空间辐射无处不在，极易引发硅基电子器件性能退化，甚至导致灾难性故障，这严重威胁着航天器的在轨寿命。
如何才能增强电子器件的抗辐射能力，让通信系统寿命更长？当前主流的抗辐射方案，是增加屏蔽层或采用冗余加固电路，这虽能提升可靠性，却也付出了体积增大、重量上升、功耗攀升等代价，与未来航天系统“轻量化、智能化、低成本”的发展目标背道而驰。
面对这一挑战，周鹏-马顺利团队创新电子通信系统，提出全新的技术路径。“加强化学键强度、增加冗余等传统抗辐射方案，都是在进行硬性对抗。而我们秉持‘它强由它强，明月照大江’的理念，让辐射粒子‘穿堂而过’、不做停留，好比现实世界里的玻璃对于可见光，二者和谐共处，不带来伤害。”周鹏解释道。
空间辐射免疫概念图
现在通信系统所使用的芯片多由硅材料制作，硅片厚度往往在几百微米，一些薄层硅至少也有几十纳米；而二维半导体材料是原子级别，厚度不到1纳米。团队发现，原子层级薄的二维半导体材料会积累最小的辐射诱导损伤，进而实现空间辐射免疫。即便高能粒子偶尔造成个别原子键的破坏，产生微小缺陷，但对于本身缺陷密度就相对较高的新型半导体材料而言，这种额外损伤对其整体电学性能影响微乎其微。
团队专门对原子层半导体材料及器件进行了地面模拟辐照实验，采用的辐射剂量达到10兆拉德，这也是国内目前能达到的最高剂量水平之一。结果显示，器件性能依然保持稳定。但地面实验的成功只是第一步。长期以来，二维电子系统的空间应用缺乏在轨数据支撑，制约了其从实验室走向工程实际。
历经五年多探索，团队在材料、器件、搭载卫星等多点协同攻关，2022年获得将芯片搭载“复旦一号（澜湄未来星）”卫星平台的机会，随后展开制备通信系统、将芯片与卫星平台对接的复杂系统工程。基于原子层级半导体材料，团队制备了4英寸基于单层二硫化钼（MoS2）的抗辐射集成射频（12~18 GHz）通信系统，该系统被命名为“青鸟”，能够应用于星载通信。
研制“青鸟”（QingNiao）原子层半导体抗辐射射频通信系统
2024年9月24日，“青鸟”通信系统搭载卫星成功发射到距地球约517公里的低地球轨道（LEO）。团队将“复旦大学校歌”的原始手稿照片存入“青鸟”系统的存储器中，并完成了以“复旦大学校歌”为信号的太空星内通信传输，最后经卫星天线发射并返回地面站解码后，“复旦大学校歌”信号复原准确无误。
随着“青鸟”系统将《复旦大学校歌》成功传回地面，
开辟了“原子层半导体太空电子学”的创新领域
系统在轨运行9个月后，其传输数据的误码率仍低于10-8，展现出优异的抗辐射性和长期稳定性。即使在辐射环境更为恶劣的地球同步轨道（GEO）上，该二维星载通信系统的理论在轨寿命预计可达271年，较传统硅基系统提升两个数量级。与此同时，系统发射机-接收机链路的功耗不足传统硅基射频系统的五分之一，确保了在严苛功率预算下仍能维持高性能通信。“超长寿命”与“超低功耗”的双重优势，为二维电子系统在深空探测、高轨卫星等空间任务中带来了独特竞争力。
“在航天领域，可靠性和功耗往往比极致的小型化更重要。”周鹏指出，该系统在长寿命与低功耗方面的天然优势，使其在规模化应用后，全生命周期成本将显著低于传统抗辐射方案，“是一个价值可达数十亿甚至百亿美元级别的潜在市场”。
当前，我国航天强国建设与商业航天发展进入快车道，突破空间电子技术瓶颈已成为国家战略科技力量的重要组成部分。新一代抗辐射电子系统，不仅有望支撑下一代卫星互联网、深空探测等重大工程，也将为我国在新一代空间信息基础设施中赢得先机。
复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室、集成电路与微纳电子创新学院马顺利副教授和周鹏教授为论文通讯作者，博士后朱立远为论文第一作者。复旦大学现代物理研究所杨洋副教授团队在载荷设计方面提供了重要技术支持，并高效协调落实了地面辐照实验所需的测试条件。研究工作依托复旦大学“复旦一号（澜湄未来星）”卫星平台开展，得到了科技部、教育部、国家自然科学基金委、上海市科委、科学探索奖等项目的资助，以及教育部创新平台的支持。（复旦大学）
