近日，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所黎大兵團(tuán)隊(duì)聯(lián)合浙江大學(xué)田鶴團(tuán)隊(duì)，在纖鋅礦鐵電體研究方面取得進(jìn)展，揭示了纖鋅礦氮化物鐵電體中低場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的疇壁運(yùn)動(dòng)新機(jī)制。

以AlScN為代表的纖鋅礦氮化物鐵電材料具有強(qiáng)自發(fā)/壓電極化性能、強(qiáng)鐵電性能、高居里溫度、CMOS兼容等優(yōu)勢(shì)，解決了傳統(tǒng)氧化物鐵電體鐵電相不穩(wěn)定、難以與主流半導(dǎo)體工藝平臺(tái)相兼容等應(yīng)用瓶頸，在5G通信、電力電子、人工智能等領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。但是，由于其極化反轉(zhuǎn)涉及金屬-氮原子協(xié)同遷移，纖鋅礦氮化物鐵電體的疇動(dòng)力學(xué)相較于傳統(tǒng)氧化物鐵電體更為復(fù)雜，導(dǎo)致其具有較高的極化反轉(zhuǎn)勢(shì)壘，面臨高矯頑場(chǎng)和喚醒行為等問(wèn)題，這制約了其大規(guī)模應(yīng)用。因此，理解這一新型鐵電材料極化反轉(zhuǎn)過(guò)程中的疇運(yùn)動(dòng)機(jī)制，以最小的能源成本調(diào)控疇壁運(yùn)動(dòng)，是這一體系亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

該研究利用暗場(chǎng)像透射電子顯微鏡觀測(cè)到AlScN極化反轉(zhuǎn)過(guò)程中疇壁的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并結(jié)合第一性原理計(jì)算闡明了纖鋅礦鐵電體低場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的疇壁運(yùn)動(dòng)機(jī)制，即纖鋅礦鐵電體中疇壁的橫向運(yùn)動(dòng)具有更低的能量勢(shì)壘，因此優(yōu)先于縱向運(yùn)動(dòng)發(fā)生。這一現(xiàn)象顛覆了傳統(tǒng)KAI模型中“先縱向生長(zhǎng)后橫向擴(kuò)張”的觀點(diǎn)，建立了纖鋅礦鐵電體特有的疇運(yùn)動(dòng)框架?；诖耍芯客ㄟ^(guò)調(diào)控生長(zhǎng)初期氮化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)貫穿整個(gè)薄膜的混合極性疇結(jié)構(gòu)，以促進(jìn)疇壁橫向運(yùn)動(dòng)、抑制縱向運(yùn)動(dòng)，并降低疇壁運(yùn)動(dòng)的總能量。這一新策略在保持AlScN薄膜高剩余極化強(qiáng)度的前提下，消除了喚醒行為，將矯頑場(chǎng)降低25%，實(shí)現(xiàn)了6英寸晶圓級(jí)無(wú)喚醒行為、性能均勻穩(wěn)定的高質(zhì)量薄膜制備。

上述研究加深了科學(xué)家對(duì)纖鋅礦鐵電體疇動(dòng)力學(xué)機(jī)制和調(diào)控規(guī)律的理解，建立了微觀疇壁運(yùn)動(dòng)與宏觀鐵電性能的跨尺度關(guān)聯(lián)，為低場(chǎng)調(diào)節(jié)疇壁運(yùn)動(dòng)提供了可行策略，對(duì)促進(jìn)低能耗、高穩(wěn)定性、性能均勻的鐵電器件在大規(guī)模CMOS架構(gòu)中的應(yīng)用具有重要意義。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。

研究利用暗場(chǎng)像透射電子顯微鏡并結(jié)合第一性原理計(jì)算揭示疇壁運(yùn)動(dòng)機(jī)制以及鐵電性能調(diào)控規(guī)律