华东师大Science！暨南大学Nature！

1、华东师大《科学》发文：铁电翻转不再“齐步走”

7月3日，华东师范大学信息与电子工程学院（集成电路科学与工程学院）、极化材料与器件教育部重点实验室成岩教授/吴宇宁教授团队，在纤锌矿型AlScN新型铁电极化翻转机制研究方面取得重要进展，相关成果以"Alternating atomic-dipole layers and switching dynamics in Al₁₋ₓScₓN ferroelectrics" 为题发表于国际顶级学术期刊 《科学》（Science）。

克服极高能垒的翻转困局

铁电材料之所以能存储数据，关键在于其内部的极化状态可以通过外加电场进行翻转，就像无数个可以微观控制的开关。

在众多候选材料中，纤锌矿结构的氮化钪铝（AlScN）因具备大极化强度、优异的热稳定性，且能与现有的半导体工艺完美兼容，被科学界认为是面向下一代微电子芯片的极具潜力关键材料之一。

然而，要让这一材料顺畅工作，科学家们此前遭遇了难以逾越的困境。

“纤锌矿氮化物的极化翻转发生在强共价键合的四面体晶格中。按照传统的集体离子位移模型，要让这些原子‘齐步走’一样同时翻转，需要克服极高能垒”，华东师范大学成岩教授介绍道。

虽然此前实验表明，引入钪（Sc）原子能够降低翻转所需的电场（矫顽场），但其背后的微观动力学机理长期缺乏直接的实验证据。这成为了制约该材料走向实际器件调控的核心科学难题。

建立原子级化学有序

和翻转动力学之间的直接关联

为了解开这个谜团，科研团队利用尖端的球差校正透射电子显微镜，在纳米甚至原子尺度下，对AlScN薄膜内部的局域原子偶极矩进行了高精度的定量表征。更进一步的是，团队在原位条件下，实时追踪了原子级极化翻转的全过程。

实验结果令研究人员感到振奋——原子的翻转并非传统想象中的“齐步走”。

联合团队首次在AlScN体系中建立起原子级化学有序和翻转动力学之间的直接关联。他们发现，在强键合、非传统铁电晶格中，局域化学有序和原子层尺度的偶极调制可以成为调控极化翻转的关键钥匙。

“简单来说，它不是集体的整齐改变，而是通过局域的、层状的交替调制，重构了极化势垒，让翻转变得更轻巧。”成岩解释说，“这一全新机制不仅拓展了铁电物理的基本图景，也让我们对强键合纤锌矿铁电体的本质有了颠覆性的认识。”

Al0.82Sc0.18N薄膜中的周期性调制结构：(A)(B)证实该薄膜为高度c轴取向的柱状晶纤锌矿结构。(C)-(G)通过原子尺度成像和理论计算，揭示材料沿极化翻转方向表现出原子层间距交替变化的原子偶极矩层。

Al1-xScxN薄膜组分调制铁电特性的原子尺度结构起源：(A)-(C) 表明随Sc浓度升高，铁电电滞回线和开关电流发生显著变化。(D)-(F) 的原子级成像则揭示相邻层间距随Sc浓度的演变。

时间分辨原子尺度极化动力学翻转过程：(A)(B) 极化翻转过程中原子级成像及对应的极化方向分布图，清晰呈现了畴壁结构。(C)(D) 通过原位跟踪同一晶胞随时间的演变，揭示了极化翻转动态过程及相邻层间距的实时变化。

原子尺度极化翻转的能垒景观： (A)-(D) 表明AlScN中存在通过多个中间态的分步翻转路径，其能垒明显低于协同翻转路径。 (E)-(G)表明Sc原子聚集对形成中间态并降低翻转垒有直接影响。

开启微电子芯片材料设计新路径

这项硬核发现，不仅是一次理论突破，更为产业界带来了巨大的想象空间。

长期以来，新型氮化物铁电材料的结构设计多依赖于试错式的经验探索。而随着这一全新机制的揭示，材料设计将正式走向基于原子尺度机制的可预测设计。

通过精确调控掺杂原子的局域分布、阳离子有序度以及原子层结构，科研人员有望在维持材料高热稳定性和半导体兼容性等优点的同时，进一步降低器件的工作电压、提升极化的可控性，为发展高性能铁电存储器、低功耗逻辑器件、高温电子器件等微电子芯片开辟了新的材料设计路径。

“这意味着，我们可以在原子层面精准定制未来的高性能铁电存储器和低功耗芯片材料。”成岩表示，这将为下一代半导体兼容铁电技术奠定重要基础。

这项成果的诞生，得益于多支青年科研团队的强强联合与高效协同。论文联合复旦大学集成电路与微纳电子创新学院刘明院士、刘琦教授、魏莹芬青年研究员团队，共同通讯作者为华东师范大学成岩教授、吴宇宁教授和复旦大学魏莹芬青年研究员，共同第一作者为华东师范大学郑勇辉副教授、白瑞荣博士、辛天骄博士和复旦大学博士研究生赵轩宇。论文重要合作者包括华东师范大学段纯刚教授、浙江大学田鹤教授、安徽大学葛炳辉教授，以及复旦大学刘明院士、刘琦教授、陈时友教授。

该研究得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划、上海市科委等项目的支持，以及华东师范大学公共服务创新平台微纳加工中心和高性能计算中心的支持。

2、暨南大学俞鹏飞团队Nature：首次揭示中小火山和极端野火事件，增湿平流层的观测证据

7月1日，暨南大学环境与气候学院俞鹏飞教授团队联合兰州大学、中科院大气所、美国国家大气研究中心（NCAR）、美国国家海洋和大气管理局（NOAA）、科罗拉多大学博尔德分校等机构，在国际顶级综合性学术期刊《自然》（Nature）正刊在线发表题为“Moderate Volcanic Eruptions and Extreme Wildfires Humidify the Stratosphere”的研究论文。

俞鹏飞教授作报告

本研究首次在真实大气观测中，为气候模式长期预言的关键机制提供了系统性证据：火山喷发和极端野火产生的气溶胶，可通过加热热带对流层顶，使更多水汽进入平流层。这一成果填补了平流层水汽研究领域长期存在的“观测—模式鸿沟”，将相关科学问题从“这一过程是否真实存在”，推进到“模式能否准确刻画这一过程、如何进一步提高模拟精度”的新阶段。研究还发现，中等规模火山喷发和极端野火可解释2005年以来平流层水汽上升趋势的超过三分之一，其贡献与地表变暖相当。这表明，过去相对被低估的间歇性气溶胶事件，能够对平流层水汽的长期变化产生重要影响。

平流层水汽变化中的一个长期问题：

火山野火让平流层“变湿”

平流层水汽含量很低，但对地球气候系统具有重要影响。作为一种温室气体，平流层水汽会影响地球变暖速率，并通过调节平流层温度进一步影响气候系统。已有研究表明，2000年前后平流层水汽曾突然下降约10%，其抵消的增温效应相当于2000年至2009年间温室气体所致变暖的四分之一。同时，平流层水汽还参与平流层臭氧化学过程，关系到臭氧层变化和臭氧洞恢复评估的可靠性。

长期以来，气候模式可以清晰模拟出大型火山喷发后平流层水汽增加的过程：火山气溶胶进入高空后，加热热带对流层顶附近区域，使更多水汽进入平流层。然而，在真实大气观测中，这一过程长期缺乏直接证据。

过去，科学界通常认为，如果火山喷发能够造成平流层增湿，大型火山事件应当最容易被观测到。然而，即便是1991年皮纳图博火山喷发，观测中也未能清晰识别出火山导致平流层水汽增加的信号。为什么气候模式中清楚存在的过程，在真实大气中却长期难以观测到？这成为平流层水汽研究领域一个长期悬而未决的问题。

火山爆发图

从复杂自然变率中把气溶胶影响“拎”出来

研究团队的突破首先来自研究思路的转变。过去二十年里，地球经历了一系列中等规模火山喷发事件，包括2008年的卡萨托奇火山、2009年的萨雷切夫火山、2011年的纳布罗火山，以及2017年至2019年间的多次喷发。与此同时，极端野火事件也不断向平流层输送气溶胶。

中等规模火山单次释放的气溶胶总量不及大型火山，但其气溶胶往往更集中在热带对流层顶附近，而这里正是水汽进入平流层的关键区域。这意味着，中等规模火山的增湿效率可能并不低。另一方面，单次中等规模事件的水汽信号较弱，容易被大气自然变率掩盖，难以单独识别。因此，研究团队转向多事件合成分析，将2005年至2021年间多次中等规模火山喷发和极端野火事件放在一起，寻找它们共同留下的平流层增湿信号。也就是说，研究不再依赖某一次强事件是否足够明显，而是通过多次事件的共同响应，识别真实大气中反复出现的物理过程。

真正的挑战在于，平流层水汽并不会只受火山和野火影响。大气内部诸多动力变化过程，都会改变平流层水汽含量。火山和野火造成的水汽响应，往往叠加在这些自然波动之上，且大小相当，难以直接识别。

为此，研究团队采用多事件合成分析和改进的重采样统计方法。团队先确定受火山喷发或极端野火影响的时期，再从没有明显气溶胶扰动的时期中，筛选出气候背景尽量相似的月份作为对照，使两组样本在其他影响因子的变化上尽可能接近，从而在自然界的观测结果中“控制变量”。这样一来，如果受火山或野火影响的时期仍表现出更高的平流层水汽，就可以更可靠地判断，这一增湿信号并非自然变率“碰巧”造成，而是与火山和野火气溶胶有关。

结果显示，在利用统计方法排除主要自然变率影响后，受火山和野火影响的时期仍表现出显著的平流层增湿信号。进一步的卫星观测诊断表明，这一增湿过程与气溶胶增加、热带对流层顶升温相对应，符合“气溶胶加热—对流层顶升温—平流层水汽增加”的物理链条。由此，研究团队在真实大气中识别出气溶胶事件导致平流层增湿的共同信号，证明这一长期存在于气候模式中的过程真实发生在大气中。

火山野火事件引起显著的平流层水汽增加

极端野火打开平流层水汽的热带外新通道

验证机制存在只是第一步，更重要的是评估其影响大小。研究发现，2005年以来，中等规模火山喷发和极端野火共同解释了观测到的平流层水汽上升趋势的超过三分之一，其贡献与全球气候变暖相当。这说明，火山喷发和极端野火这类间歇性气溶胶事件，并非只会造成短期扰动，也能够在较长时间尺度上影响平流层水汽变化。

研究还表明，2005年至2021年间，多次中等规模火山喷发和极端野火累积增加的平流层水汽总量，与2022年汤加火山喷发直接注入平流层的水汽量处于同一量级。汤加火山喷发因直接向平流层注入大量水汽而受到广泛关注，而本研究指出，即便没有类似汤加火山这样罕见而剧烈的单次事件，多次中等规模火山喷发和极端野火的累积效应同样不可忽视。

平流层水汽时间演变的重建

极端野火在本研究中呈现出独特作用。以2020年澳大利亚“黑色夏季”野火为例，模拟结果揭示了一条新的平流层水汽通道。野火气溶胶不仅可以通过加热热带对流层顶温度，打开平流层水汽“阀门”，促进更多水汽进入平流层；研究还发现了野火气溶胶可通过吸收辐射发生“自抬升”，快速上升至更高大气层，并将水汽输送至中纬度平流层，打开新的中纬度传输通道。

这一发现拓展了人们对平流层水汽来源的认识。过去，研究一般认为热带对流层顶是水汽进入平流层的主要通道；而本研究表明，极端野火还可能通过中纬度烟羽“自抬升”过程，为平流层水汽提供另一条重要的中纬度通道。随着全球变暖背景下极端野火风险上升，野火导致的平流层增湿过程可能在未来变得更加重要。

从模式到观测，再从观测回到模式

这项研究填补了平流层水汽研究的观测空白，为后续工作开辟了清晰方向。过去，由于缺少观测证据，科学界难以判断“气溶胶加热—平流层增湿”过程是否真实存在。观测证据的确立使问题进入新阶段：模式能否准确刻画这一过程？如何改进模式以更好地捕捉它？

展望未来，随着全球变暖加剧，极端野火风险持续上升。如果野火导致的平流层增湿进一步增强，而当前的气候预测和臭氧恢复研究仍将其排除在外，可能产生系统性偏差。研究团队将继续围绕这一问题推进，评估气溶胶间接增湿效应对平流层气溶胶演变及其气候—环境效应的影响，为更精准的气候预测和臭氧层恢复评估提供科学依据。

俞鹏飞和博士合影

该研究也对平流层气溶胶地球工程的风险评估具有启示意义。人为向平流层注入气溶胶虽然已经被现实火山案例和气候模式证实其有效性，但该研究也提示这些气溶胶也可能通过影响平流层水汽和臭氧化学过程带来更复杂的气候与环境效应，因此在相关技术讨论中有必要充分评估这些潜在风险。

论文第一署名单位为暨南大学。兰州大学彭艺峰博士在访问暨南大学期间参与完成该研究，并担任论文第一作者；暨南大学俞鹏飞教授为唯一通讯作者。该研究受到国家重点研发计划项目（2024YFF0808501）等项目的资助。

来源：华东师范大学、暨南大学