华东师大Nano Letters: 铪锆氧薄膜之挠曲电调控铁电极化

随着信息数字化的持续发展，探索基于新材料的新器件和新架构已经成为发展芯片技术的关键核心之一。作为新型的数据存储载体，萤石结构的铪基氧化物由于具有与CMOS高度的兼容性和在纳米尺寸下稳定铁电性，有望成为后摩尔时代突破算力瓶颈的关键材料。然而，铪基氧化物铁电性的物理起源尚还存在着争议，同时相比于器件层面大量的铁电性报道，微纳尺寸下铪基氧化物薄膜的铁电特性表征仍然面临着巨大的挑战，这也成为制约基于铪基氧化物的铁电场效应晶体管，铁电负电容场效应晶体管和铁电隧道结等新兴逻辑器件和存储器件的性能优化和实际应用的瓶颈。

近日，华东师范大学极化材料与器件教育部重点实验段纯刚教授、钟妮研究员团队利用扫描探针显微镜（SPM），首次通过实验确认了Hf0.5Zr0.5O2 (HZO)薄膜的本征挠曲电效应，利用SPM探针成功实现基于力诱导的面外极化反转特性，第一性原理计算表明其物理机制源于HZO中存在着挠曲电诱导的不对称双势阱。该工作表明HZO的本征铁电特性可稳定存在于室温而不依赖于器件的顶电极，挠曲电诱导铁电极化反转特性使HZO薄膜有望应用于柔性传感器和能量收集器等微电子领域。该工作为研制基于HZO的多功能新兴微纳电子器件提供了一个崭新的思路。相关研究成果以“Mechanical Polarization Switching in Hf0.5Zr0.5O2 Thin Film”为题于2022年6月1日在线发表在Nano Letters上。

段纯刚教授，钟妮研究员为该工作的通讯作者，关赵博士后和李云康琪硕士研究生为该工作的共同一作。合作者还包括华东师范大学极化材料与器件教育部重点实验室的褚君浩院士，向平华研究员，赵祎峰博士研究生，西安电子科学大学的韩根全教授和彭悦博士。这一工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科技创新行动计划、之江实验室重大等项目的支持。

宏观铁电测试表明TaN/10nm-HZO/TaN结构具有稳定的铁电特性（图1A）。紧接着，在TaN/10-nm HZO薄膜中系统开展了微观压电原子力显微镜（PFM）测试。首先表征了HZO薄膜的PFM相位回线与蝴蝶曲线（如图1B），并通过在导电探针上施加正负直流电压实现了正方形面外铁电畴的擦写，两个方向的PFM相位图表现出180°的相位差（图1C）。通过优化测试条件，研究团队发现HZO薄膜的铁电畴被翻转24小时后依然具有良好的保持特性，为HZO的本征铁电性提供了重要的实验依据。其中需要指出的是，对应相位反转，在PFM振幅图中24小时前后均可观测到清晰的畴壁信号。

图1. A. 宏观滞后回线；B. SPM相位回线与蝴蝶曲线；C. 极化反转后与24小时后相位图。

在对HZO薄膜铁电性进行确认后，研究团队利用PFM探针对HZO薄膜施加一定大小的压应力，发现在压应力作用下，HZO薄膜的面外极化方向由向上翻转为向下，且畴壁信号清晰（图2）。

图2. A. 电反转极化向上面外相位图；B. 压应力作用极化向下面外相位图；C. 电二次反转极化向上面外相位图；D. 图C对应振幅图。

为进一步印证HZO铁电薄膜的挠曲电效应，通过PFM探针施加一系列面外压应力（150nN-300nN），发现随应力的增大逐渐实现面外极化自上而下的反转，且对应的PFM振幅信号呈现出先减小后增大的变化趋势（图3），该结果与2012年Gruverman教授课题组发表在Science关于BTO挠曲电效应的研究结果（Science 2012, 336 (6077), 59-61.）高度一致。

图3. A. 电极化向上/下面外振幅B.相位图；C. 力梯度（150nN-300nN）作用下面外振幅与D.相位图；E. C图力作用下区域放大振幅图；F. E图不同力大小作用下振幅强度的变化趋势。

为探究力诱导的极化反转的物理机制，团队开展了第一性原理计算，发现其物理机制源于HZO中存在着挠曲电诱导的不对称双势阱。另外研究团队发现，力擦写尺寸最小可低至几十纳米（图4），而受限于PFM的探测精度与探针尺寸，力诱导的HZO极化行为可能在更小的特征尺寸中实现，表明其有望应用于低功耗、超高密度信息存储领域。

图4. A. HZO力梯度作用下理论计算结果；B. 单线力写振幅相位图；C. 图形力写振幅相位图。

研究团队在以上基础上还开展了SKPM的工作，相较于初始表面的表面电势，力梯度作用下的HZO薄膜表面表现出更低的表面电势（图5）。结果表明，力擦写不仅可以有效抑制注入电荷的影响，还可抑制表面屏蔽电荷的影响，从而为揭示HZO表面极化电荷提供了契机。

图5. A-C. 电极化反转相位图（-10V~+10V~-10V），表面电势变化图以及机制示意图；D-F. 电写力擦相位图（-10V~450nN~-10V），表面电势变化图以及机制示意图；G-I. 电写力擦相位图（-10V~30nN~-10V）, 表面电势变化图以及机制示意图。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c01066