青岛大学温峥教授在高能电介质电容器材料研究获进展

青岛大学电子信息学院温峥课题组和山东大学物理学院刘晓辉课题组合作完成的相关成果以“Structure-evolution-designed amorphous oxides for dielectric energy storage”为题发表在NatureCommunications期刊上。论文共同第一作者为于雅慧（青岛大学在读硕士研究生）、章晴（山东大学）、许志宇（青大毕业硕士研究生），温峥教授和刘晓辉教授为共同通讯作者，青岛大学为第一和通讯作者单位。

HfO2是当前CMOS工艺中的重要High-k栅极氧化物材料。最近，通过掺杂、固溶、应变、退火工艺、界面调控等多种手段在室温下稳定了极性正交相，在HfO2中诱导出自发电极化，其铁电性推动了新一代非挥发信息存储器的发展；而反铁电特性可应用于电介质储能，发展易于CMOS集成的高性能薄膜电容器，用于便携式/植入式微电子能源器件和系统中。课题组采用一种新的结构策略，通过对HfO2进行大范围的二价离子（A2+）掺杂，诱导了从萤石（HfO2）向钙钛矿（AHfO3）的结构转变。两种结构具有相似的金属离子框架而氧离子的晶格占位不同，在结构演变的过渡区域，氧离子的失稳导致长程周期性破坏，而金属离子框架的保持又有助于抑制强非化学计量比情况下杂相的产生，因此形成了只有短程序的非晶结构。这种在高温下形成的非晶铪基氧化物保留了二价掺杂离子的晶格应变，相对于文献报道的HfO2基非晶/晶态薄膜，具有更高的无序度和致密度。其介电击穿强度高达12MV/cm，且保持了HfO2的High-k相对介电常数（>18 @106Hz），这些物性特征突破了介电材料中普遍存在的εr-Eb的负相关限制。非晶A-Hf-O电容器表现出高达155J/cm3的可回收能量密度，这是当前以HfO2为代表的二元High-k材料中的最高纪录。

该工作一方面为高能电介质电容器，特别是CMOS集成元件的设计提供了新的思路和材料制备方法；另一方面有利于打开材料种类边界处新结构、新功能探索的研究视角。课题得到了国家自然科学基金（51872148, 11974211），山东省自然科学基金（ZR2020JQ03），山东省泰山学者工程（tsqn201812045）和山东大学齐鲁学者项目的资助。

来源：青岛大学

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-023-38847-1