长春光机所在纤锌矿铁电体研究领域取得重大突破

　　【仪表网 研发快讯】近日，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所特种发光科学与技术国家重点实验室黎大兵团队联合浙江大学材料科学与工程学院电子显微镜中心田鹤团队在纤锌矿铁电体研究领域取得重大突破，揭示了纤锌矿氮化物铁电体中低场驱动的畴壁运动新机制。相关研究成果以“Low-Field-Driven Domain Wall Motion in Wurtzite Ferroelectrics”为题发表在《先进材料》(Advanced Materials)上。
 

　　以AlScN为代表的纤锌矿氮化物铁电材料具有强自发/压电极化性能、强铁电性能、高居里温度、CMOS兼容等优势，解决了传统氧化物铁电体铁电相不稳定、难以与主流半导体工艺平台相兼容等应用瓶颈，在5G通信、电力电子、人工智能等领域具有广阔应用前景。然而，由于其极化反转涉及金属-氮原子协同迁移，纤锌矿氮化物铁电体的畴动力学相较于传统氧化物铁电体(单原子移动)更为复杂，导致其具有较高的极化反转势垒，面临高矫顽场和唤醒行为等问题，制约其大规模应用。因此，深入理解这一新型铁电材料极化反转过程中的畴运动机制，以最小的能源成本调控畴壁运动，是这一体系亟需解决的关键科学问题。
 

　　据此，黎大兵团队与合作者利用暗场像透射电子显微镜(DFTEM)观测到了AlScN极化反转过程中畴壁的实时运动过程，并结合第一性原理计算阐明了纤锌矿铁电体低场驱动的畴壁运动机制：纤锌矿铁电体中畴壁的横向运动由于具有更低的能量势垒总是优先于纵向运动发生。这一现象颠覆了传统Kolmogoro-Avrami-Ishibashi(KAI)模型中“先纵向生长后横向扩张”的认知，建立了纤锌矿铁电体特有的畴运动框架。基于此，团队通过调控生长初期氮化过程，实现贯穿整个薄膜的混合极性畴结构，以此促进畴壁横向运动、抑制纵向运动，从而降低了畴壁运动的总能量。这一新策略在保持AlScN薄膜高剩余极化强度的前提下，不仅彻底消除了唤醒行为，更成功将矫顽场(Ec)降低25%(ΔEc=1.3 MV/cm)，最终实现了6英寸晶圆级无唤醒行为、性能均匀稳定的高质量薄膜制备，晶体质量及铁电性能均处于国际领先地位。
 

　　综上所述，该研究加深了对纤锌矿铁电体畴动力学机制和调控规律的理解，建立了微观畴壁运动与宏观铁电性能的跨尺度关联，为低场调节畴壁运动提供了一种可行的策略，对促进低能耗、高稳定性、性能均匀的铁电器件在大规模CMOS架构中的应用具有重要意义。
 

DFTEM结合第一性原理计算揭示畴壁运动机制以及铁电性能调控规律。
 

　　长春光机所副研究员刘明睿，硕士研究生李丹，浙江大学研究员刘中然为论文第一作者，长春光机所孙晓娟研究员、浙江大学田鹤教授、长春光机所黎大兵研究员为共同通讯作者。