清華新聞網(wǎng)10月18日電 氧化鉿基薄膜因其優(yōu)異的亞納米級鐵電性能及與硅基半導(dǎo)體工藝的良好兼容性正逐漸成為下一代信息存儲器件的關(guān)鍵功能材料。目前研究人員已經(jīng)對其正交鐵電相（Pca21）開展了大量的理論與實驗研究，以提升和優(yōu)化其鐵電穩(wěn)定性與耐久性。由于氧化鉿基菱方相能量較高難以被穩(wěn)定，相關(guān)研究較少，同時菱方鐵電相與正交鐵電相之間的聯(lián)系也尚未明確。
近日，清華大學(xué)材料學(xué)院馬靜課題組與中國科學(xué)院物理所/中國科學(xué)院大學(xué)、美國德克薩斯大學(xué)圣安東尼奧分校研究團隊合作，在外延氧化鉿基鐵電薄膜研究領(lǐng)域取得進展。研究團隊通過對分析菱方氧化鉿雙四面體晶體場鍵長畸變，并結(jié)合第一性原理計算，提出在合適面外拉伸應(yīng)力、表面能與具有4d2和3d5電子的Zr、Mn元素共摻雜作用下，菱方R3鐵電相將取代菱方R3m與正交Pca21鐵電相成為基態(tài)從而被穩(wěn)定。實驗結(jié)果顯示，在（001）取向SrTiO3基片上以LSMO為底電極外延生長5at.% Mn摻雜Hf0.5Zr0.5O2（HZO）薄膜的相結(jié)構(gòu)為R3相，薄膜表現(xiàn)出良好的鐵電特性，剩余極化Pr達到47 μC/cm2，并且具有良好的保持性和循環(huán)穩(wěn)定性。此外，通過改變Mn摻雜濃度和薄膜厚度，可實現(xiàn)Pca21、R3、R3m三種不同鐵電相之間的調(diào)控；并總結(jié)了氧化鉿基鐵電自高對稱相向低對稱相演變的兩條路徑，建立了三種鐵電相的對稱性繼承與相轉(zhuǎn)化關(guān)系。這項研究不僅為氧化鉿體系的鐵電性提供了新的見解，還有望為提升鐵電器件性能開辟新的途徑。
（A）5%Mn摻雜HZO外延薄膜掃描透射電子顯微鏡原子相及其對應(yīng)的（B）快速傅里葉變化（FFT）衍射圖。（C）R3相FFT模擬衍射圖。（D，E，F(xiàn)）5%Mn摻雜HZO外延薄膜鐵電剩余極化，保持性以及壓電力響應(yīng)顯微鏡局部翻轉(zhuǎn)結(jié)果。（G）對稱性從高至低的氧化鉿基鐵電相路徑演化-能量圖。（H）Mn摻雜含量以及面外應(yīng)力對菱方相基態(tài)的選擇計算。（I）三種鐵電相的極軸變化以及在面外方向的極化投影大小
相關(guān)研究成果以“具有穩(wěn)定鐵電性的R3菱方相錳摻雜氧化鉿鋯外延薄膜”（Rhombohedral R3 Phase of Mn-Doped Hf0.5Zr0.5O2 Epitaxial Films with Robust Ferroelectricity）為題，于10月9日發(fā)表于《先進材料》（Advanced Materials）。
清華大學(xué)材料學(xué)院2023級博士生郭嘉晟、中國科學(xué)院大學(xué)副研究員陶蕾為論文共同第一作者，清華大學(xué)材料學(xué)院副教授馬靜、美國德克薩斯大學(xué)圣安東尼奧分校教授陳充林、中國科學(xué)院物理所/中國科學(xué)院大學(xué)研究員杜世萱為論文共同通訊作者。研究得到國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項目等的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202406038
供稿：材料學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
