j9九游會登錄入口首頁隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等新信息技術的快速發(fā)展與普及，全球數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長，而市場主流存儲器產(chǎn)品因存在物理極限j9九游會登錄入口首頁、存儲鴻溝和功耗高的問題，無法滿足未來海量數(shù)據(jù)處理的要求。因此，發(fā)展大容量、高密度、低功耗、高讀寫速度的新型非易失性存儲器正成為世界科技前沿的迫切需求。

　　鐵電存儲器是一種采用鐵電材料的雙穩(wěn)態(tài)極化來存儲信息的新型非易失性存儲器，因具有極優(yōu)異的抗輻照性能和長久的數(shù)據(jù)保存能力，是未來最具競爭力的非易失性信息存儲器之一，備受國內(nèi)外高度關注。然而，傳統(tǒng)鈣鈦礦結(jié)構鐵電材料（如鋯鈦酸鉛等）由于受到尺寸效應的限制難以在納米級厚度下保持鐵電性，并且鉛等重金屬離子的存在使得其難以與CMOS工藝兼容，阻礙了鈣鈦礦型鐵電器件的大規(guī)模應用。作為集成電路生產(chǎn)線上常用的高k材料氧化鉿（HfO2）鐵電性的發(fā)現(xiàn)為后摩爾時代新型存儲器產(chǎn)業(yè)化提供了可能。HfO2基鐵電材料具有薄膜越薄鐵電性越強的反常尺度效應以及亞納秒級超快疇翻轉(zhuǎn)速度等無與倫比優(yōu)異性能，從而有望引領存儲器同時突破物理極限、存儲鴻溝和集成電路工藝兼容性問題。

　　然而，第一性原理計算和超高分辨率TEM實驗觀察均發(fā)現(xiàn)HfO2鐵電正交相中存在特殊的“隔離帶”結(jié)構[1]（如圖1所示），即極性層被隔離帶交替地隔開，且隔離帶隔絕了相鄰晶胞中的偶極相互作用j9九游會登錄入口首頁，其電偶極子可在單個晶胞內(nèi)穩(wěn)定并可獨立翻轉(zhuǎn)j9九游會登錄入口首頁，疇壁厚度幾乎為零j9九游會登錄入口首頁。為了設計鐵電存儲器還必須建立原子尺度“隔離帶”與宏觀電學性能之間的關聯(lián)，如何通過介觀理論建立這種宏觀和微觀之間的關系是個巨大的難題。

　　近日，西安電子科技大學周益春教授團隊，通過相場模擬可視化了外延Hf0.5Zr0.5O2(HZO)薄膜中時間分辨的納米尺度鐵電疇翻轉(zhuǎn)動力學過程，表明了無尺度的疇獨立翻轉(zhuǎn)特性（橫向尺寸 1 nm的不可約極性疇仍能穩(wěn)定）和尖銳的疇壁，這起源于相鄰疇之間弱的相互作用，這種相互作用能通過梯度能系數(shù)來量化，這揭示了隔離帶在鐵電疇動力學中的介觀機制。同時，闡明了180°極化翻轉(zhuǎn)機制，它是以新疇的形核為主導，且具有高的形核密度，這與形核受限翻轉(zhuǎn)模型一致。該研究不僅提供了隔離帶在疇動力學中的介觀機制，而且將進一步推動鐵電疇態(tài)的精細調(diào)控以設計高密度、快速HfO2基薄膜鐵電存儲器的研發(fā)。

　　研究成果以“揭示Hf0.5Zr0.5O2薄膜中隔離帶在鐵電疇翻轉(zhuǎn)動力學中的作用”(Revealing the Role of Spacer Layer in Domain Dynamics of Hf0.5Zr0.5O2 Thin Films for Ferroelectrics)為題最近在線發(fā)表在材料領域著名學術期刊Advanced Functional Materials。先進材料與納米科技學院副教授彭仁賜、與博士生文樹斌為論文共同第一作者，廖敏教授與周益春教授為共同通訊作者，其他重要貢獻者包括深圳大數(shù)據(jù)研究院研究科學家程曉行博士、美國賓夕法尼亞州立大學陳龍慶教授。研究工作受到國家自然科學基金委和陜西省自然基金等支持。

　　為了從介觀尺度揭示微觀“隔離帶”結(jié)構的作用，本文構建了HZO鐵電薄膜順電四方相(T)-鐵電正交相(O)的相場模型。圖2展示了極化的溫度依賴特性以及相應的疇結(jié)構。圖2(b)中極化在居里溫度處突變?yōu)榱?，表明T-O相變?yōu)橐浑A相變，這與實驗相符，表明了模型的可靠性。此外。圖2(d)表明，室溫下HZO薄膜是由b疇和c疇混合構成，而在外電場作用下b疇發(fā)生鐵彈翻轉(zhuǎn)成為c疇，這揭示了喚醒效應的一個主要機制。

　　圖 2. Hf0.5Zr0.5O2(HZO)薄膜中，相場模擬得到的極化強度隨溫度變化曲線及在不同溫度下HZO薄膜鐵電疇結(jié)構

　　為了從介觀尺度揭示“隔離帶”結(jié)構對疇演化的影響，對比了HZO鐵電薄膜和BaTiO3(BTO)鐵電薄膜的疇翻轉(zhuǎn)以及疇壁特性。圖3(a-c)展示了施加和撤去方形局域電場后HZO鐵電疇的演化行為，結(jié)果表明：面內(nèi)尺寸為1 nm的反向疇能夠獨立翻轉(zhuǎn)并在撤去電場后仍能穩(wěn)定存在，表明HZO中相鄰鐵電疇之間的相互作用可以忽略，這種相互作用能通過梯度能系數(shù)來量化，這揭示了隔離帶在鐵電疇動力學中的介觀機制。而BTO鐵電疇穩(wěn)定存在的面內(nèi)臨界尺寸為4 nm，3 nm及以下尺寸的鐵電疇不能貫穿薄膜并穩(wěn)定存在j9九游會登錄入口首頁，表現(xiàn)出較強的疇間相互作用（圖3(d-h)）。圖3(i-j)表明，HZO具有尖銳的疇壁而BTO的疇壁為擴散型，這也反映了兩者間疇翻轉(zhuǎn)行為的顯著差異。

　　進一步地，為了揭示電場作用下的“隔離帶”對疇演化行為的影響規(guī)律，可視化了HZO薄膜中鐵電疇翻轉(zhuǎn)的動態(tài)過程，如圖4所示。圖4(c-j)展示了電場作用下鐵電疇翻轉(zhuǎn)的整個過程，鐵電疇形核階段主導了整個翻轉(zhuǎn)過程，而疇長大過程所需的時間步長幾乎可以忽略，且模擬結(jié)果與形核受限翻轉(zhuǎn)(NLS)模型一致，因此其極化翻轉(zhuǎn)機制由新疇形核來主導。