北京
7月2日，华东师范大学、复旦大学等合作，在纤锌矿型Al₁₋ₓScₓN新型铁电极化翻转机制研究方面取得重要进展。研究团队首次发现了Al₁₋ₓScₓN铁电材料中的交替偶极层这一新的原子尺度结构特征，揭示了其降低铁电翻转能垒、促进逐步极化翻转的微观机制，建立了原子尺度结构与极化翻转动力学之间的直接联系，为纤锌矿铁电材料设计提供了新的理论框架，并为新一代高温电子器件和高密度非易失存储技术的发展提供了新的科学依据。
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 《Science》。论文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，以及复旦大学博士研究生赵轩宇，论文重要合作者还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、复旦大学刘明院士、刘琦教授和陈时友教授。本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。
纤锌矿型Al₁₋ₓScₓN兼具大极化强度、高热稳定性以及良好的CMOS兼容性，是新一代非易失存储器、高温电子器件的重要候选材料。然而，纤锌矿氮化物的极化翻转需要克服极高的能量势垒。尽管实验已证明引入Sc等元素能够显著降低矫顽场并实现可逆铁电翻转，然而对于阳离子取代如何通过原子尺度机制降低翻转能垒从而减小矫顽场，仍需更深入的理解。研究团队利用球差校正透射电子显微技术首次直接观察到沿极化方向周期性交替排列的原子偶极层结构，并结合第一性原理计算揭示了其形成机制。研究进一步发现，这种富钪（Sc-rich）与贫钪（Sc-poor）交替排列的偶极层，使得极化翻转能够通过多个亚稳中间态发生局域翻转，从而大幅降低翻转能垒。
在本项研究中，复旦大学团队负责整体实验方案设计，包括Al₁₋ₓScₓN铁电薄膜样品生长、铁电器件制备和系统电学性能测试，系统开展极化翻转动力学研究。团队通过材料设计、器件测试和动力学分析，验证了交替原子偶极层促进极化翻转、降低翻转能垒的关键作用，为建立原子尺度结构与器件性能之间的关联提供了重要实验依据。
近年来，复旦大学集成电路与微纳电子创新学院刘明院士团队长期围绕CMOS兼容的铁电材料与新型非易失存储技术开展研究，在铁电薄膜材料生长与物理机制、器件设计与工艺优化、电学测试与仿真模型、芯片集成与应用等方面形成了系统研究基础。未来，团队将持续围绕CMOS兼容的铁电材料及高密度非易失存储技术开展研究，深化铁电材料基础理论、器件物理与集成应用的协同创新，为新型存储器件和芯片的发展提供理论支撑和关键技术储备。
论文链接：DOI: 10.1126/science.aee9639
来源：复旦大学集成电路与维纳电子创新学院。
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