湘潭大学PRL: (Hf, Zr)O2铁电体的非寻常极化翻转机制及其启示

近年被发现的氧化铪基铁电材料具有与CMOS工艺兼容、临界尺寸小等特点，在高密度铁电存储器等领域极具产业化和应用前景。尤其氧化铪铁电极化可以稳定存在于一个单胞层厚度，被认为可以实现任意尺寸的(scale-free)信息存储。

然而迄今为止，人们对于氧化铪的铁电性起源，尤其是其极化翻转机制，仍然没有足够的理解，这也很大程度地抑制了其产业化进程。由于氧化铪相较于传统钙钛矿铁电体的独特结构特点，使其极化翻转存在多种可能路径，而且由于不同极化翻转路径具有相似的初末态结构，给实验上观测其极化翻转规律造成了一定的困难。

近日，湘潭大学铁电薄膜和存储器团队在Physical Review Letters上发表了题目为“Unconventional polarization switching mechanism in (Hf, Zr)O2 ferroelectrics and its implications”的研究论文。

铁电极化路径与电畴演化

他们在原有铁电相变和电畴演化规律研究工作的基础上，基于第一性过渡态计算方法，研究了(Hf, Zr)O2铁电体电畴形核和畴壁运动的微观极化翻转过程，同时也对比了一致极化翻转的研究，发现氧原子跨跃名义晶胞的极化翻转路径在电畴形核和畴壁运动中更占优势，呈现非寻常极化翻转机制，同时也澄清了广受关注的氧化铪基铁电材料任意尺寸(scale-free)铁电单元的微观形核机制，使人们对氧化铪基铁电材料的铁电性起源、极化强度、电畴演化规律有了新的、更深入的理解，也解释了实验上发现了、但尚未被理解的氧化铪正压电效应。

氧化铪铁电体的晶体结构和极化路径

氧化铪铁电体畴壁运动微观机制

该工作由中国国家自然科学基金(包括重点项目等)、湖南省自然科学基金、湖南省教育厅、美国国家自然科学基金等提供经费资助。湘潭大学材料科学与工程学院铁电薄膜和存储器团队硕士研究生吴尧和张宇科为论文的共同第一作者，团队杨琼教授、廖敏教授及美国内布拉斯加大学林肯分校Evgeny Y. Tsymbal教授为共同通讯作者，湘潭大学为第一作者单位。

近十年来，湘潭大学铁电薄膜和存储器团队在周益春教授的带领下，围绕与CMOS工艺兼容的氧化铪基铁电薄膜和存储器开展了系统的研究工作，在氧化铪基铁电薄膜制备和表征、铁电性起源机理和存储芯片研制等方面取得了系列重要成果，对铁电物理发展和高性能铁电存储器产业化起到了重要推动作用。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.11.002