纤锌矿铁电体研究取得进展

发布时间：2025-06-20

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近日，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所黎大兵团队联合浙江大学田鹤团队，在纤锌矿铁电体研究方面取得新进展，揭示了以alscn为代表的纤锌矿氮化物铁电材料中畴壁在低电场驱动下的运动机制。

纤锌矿结构的氮化物铁电材料，如AlScN，因其具备强自发极化、优异压电性能、高居里温度以及良好的CMOS兼容性等优点，被认为是一类具有广泛应用前景的功能材料。该类材料可有效克服传统氧化物铁电体在相稳定性差、工艺兼容性不佳等方面的瓶颈，有望广泛应用于5G通信、电力电子及人工智能等领域。然而，由于其极化反转过程涉及金属原子与氮原子之间的协同迁移，使得其畴动力学行为较传统氧化物体系更为复杂，导致存在较高的极化反转势垒，并表现出高矫顽场和唤醒行为等问题，限制了其实际应用。因此，深入理解此类新型铁电材料在极化反转过程中畴壁运动的行为特征，并探索以最低能耗实现畴壁调控的方法，成为该领域亟待解决的关键问题。

本研究通过暗场像透射电子显微镜技术，首次实现了对AlScN材料中畴壁运动过程的实时观测，并结合第一性原理计算，系统揭示了纤锌矿铁电体中低场驱动下的畴壁运动机制。研究表明，相较于纵向运动，畴壁的横向移动具有更低的能量势垒，因此优先发生。这一发现突破了传统KAI模型中“先纵向生长再横向扩展”的认知框架，构建了适用于纤锌矿铁电材料的特有畴运动模型。在此基础上，研究人员通过优化薄膜生长初期的氮化过程，成功制备出贯穿整个薄膜的混合极性畴结构，从而有效促进畴壁横向运动、抑制纵向运动，降低整体畴壁运动能量。该策略在保持AlScN薄膜高剩余极化强度的基础上，显著消除了唤醒行为，矫顽场降低了25%，并实现了6英寸晶圆级无唤醒行为、性能稳定且均匀的高质量薄膜制备。

该成果不仅加深了人们对纤锌矿铁电体畴动力学行为及其调控机制的理解，也建立了微观畴壁运动与宏观铁电性能之间的跨尺度联系，为低电场下畴壁调控提供了可行路径，对于推动低能耗、高性能、稳定可靠的铁电器件在大规模CMOS集成电路中的应用具有重要意义。

相关研究成果发表于国际权威期刊《先进材料》（Advanced Materials）。