傳統(tǒng)晶體管小型化進程中面臨的“功耗墻”問題難以克服，摩爾定律面臨終結(jié)，迫切需要尋求器件結(jié)構(gòu)和機理的變革。鐵電材料的負電容效應有望克服玻爾茲曼電子分布限制，推動功耗繼續(xù)降低。然而，由于負電容效應具有瞬態(tài)性和不穩(wěn)定性，探究其背后的鐵電疇動力學機制十分困難，導致疇動力學與負電容之間的關聯(lián)機制仍不明確。

中山大學物理學院、廣東省磁電物性分析與器件重點實驗室張溢副教授課題組采用原位透射電子顯微鏡和脈沖測試技術結(jié)合的高時空分辨表征技術(圖1)，揭示了單層鐵電體和鐵電/介電異質(zhì)結(jié)薄膜中的負電容效應與疇動力學的關聯(lián)機制，為基于鐵電疇動力學設計低功耗負電容器件提供了參考。

圖1 基于高時空分辨表征技術觀測負電容效應

研究人員首先研究了單層鐵電體和鐵電/介電異質(zhì)結(jié)中的鐵電疇翻轉(zhuǎn)模式，發(fā)現(xiàn)單層鐵電材料中的鐵電疇翻轉(zhuǎn)具有形核、縱向生長和疇壁運動三個特征階段(圖2)，其中鐵電疇的形核與縱向生長對負電容的貢獻顯著高于疇壁運動。由于界面電荷對鐵電疇翻轉(zhuǎn)的輔助作用，鐵電/介電異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的鐵電疇翻轉(zhuǎn)則表現(xiàn)為快速且均勻的朗道式翻轉(zhuǎn)，并且具有增強的負電容效應(圖3)。通過結(jié)合宏觀脈沖測試結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，鐵電/介電異質(zhì)結(jié)的極化翻轉(zhuǎn)速率比單層鐵電體快數(shù)十倍，并且負電容效應的強度大、回滯小?；诖?，有望開發(fā)高速、無回滯的超低功耗負電容器件。

圖2 單層鐵電和鐵電/介電異質(zhì)結(jié)薄膜中的鐵電疇動力學: (a) 結(jié)構(gòu)示意圖；(b、c) 分別為單層鐵電和鐵電/介電異質(zhì)結(jié)薄膜中鐵電疇翻轉(zhuǎn)行為；(d) 單層鐵電體中疇翻轉(zhuǎn)誘導的電荷注入示意圖；(e) 鐵電/介電異質(zhì)結(jié)中界面電荷輔助極化翻轉(zhuǎn)的示意圖；(f、g) 外電場作用下能量勢壘變化的示意圖。

圖3 鐵電/介電異質(zhì)結(jié)負電容效應與疇動力學的宏微觀測試結(jié)果：(a) 瞬態(tài)電壓降和積分電荷曲線；(b) 不同時刻的TEM暗場像；(c、d)異質(zhì)結(jié)電容器的極化翻轉(zhuǎn)電流曲線和回滯特性(宏觀脈沖測試)；(e) 單層鐵電與異質(zhì)結(jié)電容器的極化翻轉(zhuǎn)速率對比。

相關研究成果于2025年6月9日以“Direct Observation of Ferroelectric Domain Switching Dynamics Under Negative Capacitance Conditions via In Situ Transmission Electron Microscope”為題發(fā)表在國際知名期刊《ACS Nano》上，并被選為該雜志的封面文章。中山大學為該成果的第一署名單位，物理學院、廣東省磁電物性分析與器件重點實驗室鄭躍教授與張溢副教授為論文通訊作者，博士研究生吳祎瑋和陽輝為共同第一作者，湖南科技大學譚叢兵副教授和中山大學陳偉津教授分別為該工作提供了實驗和理論方面的支持。該工作在團隊發(fā)展的高時空分辨原位透射電鏡表征系統(tǒng)上完成，前期研究成果發(fā)表在國際知名期刊《Nano Letters》上(Nano Lett. 2024, 24, 24:7424-7431)，已申請中國國家發(fā)明專利2項(公開號：CN116678903A、CN118569328A)。研究工作得到了國家自然科學基金、廣東省磁電物性分析與器件重點實驗室、廣東省磁電物性基礎學科研究中心和中山大學分析測試中心的大力支持。