j9九游會(huì)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(shù)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(chǎng)主流存儲(chǔ)器產(chǎn)品因存在物理極限j9九游會(huì)登錄入口首頁、存儲(chǔ)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(chǔ)器正成為世界科技前沿的迫切需求。

　　鐵電存儲(chǔ)器是一種采用鐵電材料的雙穩(wěn)態(tài)極化來存儲(chǔ)信息的新型非易失性存儲(chǔ)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(jìng)爭(zhēng)力的非易失性信息存儲(chǔ)器之一，備受國內(nèi)外高度關(guān)注。然而，傳統(tǒng)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電材料（如鋯鈦酸鉛等）由于受到尺寸效應(yīng)的限制難以在納米級(jí)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(yīng)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(shí)代新型存儲(chǔ)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(qiáng)的反常尺度效應(yīng)以及亞納秒級(jí)超快疇翻轉(zhuǎn)速度等無與倫比優(yōu)異性能，從而有望引領(lǐng)存儲(chǔ)器同時(shí)突破物理極限、存儲(chǔ)鴻溝和集成電路工藝兼容性問題。

　　然而，第一性原理計(jì)算和超高分辨率TEM實(shí)驗(yàn)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(gòu)[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(huì)登錄入口首頁，其電偶極子可在單個(gè)晶胞內(nèi)穩(wěn)定并可獨(dú)立翻轉(zhuǎn)j9九游會(huì)登錄入口首頁，疇壁厚度幾乎為零j9九游會(huì)登錄入口首頁。為了設(shè)計(jì)鐵電存儲(chǔ)器還必須建立原子尺度“隔離帶”與宏觀電學(xué)性能之間的關(guān)聯(lián)，如何通過介觀理論建立這種宏觀和微觀之間的關(guān)系是個(gè)巨大的難題。

　　近日，西安電子科技大學(xué)周益春教授團(tuán)隊(duì)，通過相場(chǎng)模擬可視化了外延Hf0.5Zr0.5O2(HZO)薄膜中時(shí)間分辨的納米尺度鐵電疇翻轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)過程，表明了無尺度的疇獨(dú)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(dòng)力學(xué)中的介觀機(jī)制。同時(shí)，闡明了180°極化翻轉(zhuǎn)機(jī)制，它是以新疇的形核為主導(dǎo)，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(dòng)力學(xué)中的介觀機(jī)制，而且將進(jìn)一步推動(dòng)鐵電疇?wèi)B(tài)的精細(xì)調(diào)控以設(shè)計(jì)高密度、快速HfO2基薄膜鐵電存儲(chǔ)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(dòng)力學(xué)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(lǐng)域著名學(xué)術(shù)期刊Advanced Functional Materials。先進(jìn)材料與納米科技學(xué)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(xiàn)者包括深圳大數(shù)據(jù)研究院研究科學(xué)家程曉行博士、美國賓夕法尼亞州立大學(xué)陳龍慶教授。研究工作受到國家自然科學(xué)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(gòu)的作用，本文構(gòu)建了HZO鐵電薄膜順電四方相(T)-鐵電正交相(O)的相場(chǎng)模型。圖2展示了極化的溫度依賴特性以及相應(yīng)的疇結(jié)構(gòu)。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(shí)驗(yàn)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(gòu)成，而在外電場(chǎng)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(yīng)的一個(gè)主要機(jī)制。

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

　　為了從介觀尺度揭示“隔離帶”結(jié)構(gòu)對(duì)疇演化的影響，對(duì)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(chǎng)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(dú)立翻轉(zhuǎn)并在撤去電場(chǎng)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(dòng)力學(xué)中的介觀機(jī)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(huì)登錄入口首頁，表現(xiàn)出較強(qiáng)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(kuò)散型，這也反映了兩者間疇翻轉(zhuǎn)行為的顯著差異。

　　進(jìn)一步地，為了揭示電場(chǎng)作用下的“隔離帶”對(duì)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(dòng)態(tài)過程，如圖4所示。圖4(c-j)展示了電場(chǎng)作用下鐵電疇翻轉(zhuǎn)的整個(gè)過程，鐵電疇形核階段主導(dǎo)了整個(gè)翻轉(zhuǎn)過程，而疇長大過程所需的時(shí)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(jī)制由新疇形核來主導(dǎo)。