近日，中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所特種發(fā)光科學(xué)與技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黎大兵團(tuán)隊(duì)聯(lián)合浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院電子顯微鏡中心田鶴團(tuán)隊(duì)在纖鋅礦鐵電體研究領(lǐng)域取得重大突破，揭示了纖鋅礦氮化物鐵電體中低場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的疇壁運(yùn)動(dòng)新機(jī)制。相關(guān)研究成果以“Low-Field-Driven Domain Wall Motion in Wurtzite Ferroelectrics”為題發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。
以AlScN為代表的纖鋅礦氮化物鐵電材料具有強(qiáng)自發(fā)/壓電極化性能、強(qiáng)鐵電性能、高居里溫度、CMOS兼容等優(yōu)勢(shì)，解決了傳統(tǒng)氧化物鐵電體鐵電相不穩(wěn)定、難以與主流半導(dǎo)體工藝平臺(tái)相兼容等應(yīng)用瓶頸，在5G通信、電力電子、人工智能等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。然而，由于其極化反轉(zhuǎn)涉及金屬-氮原子協(xié)同遷移，纖鋅礦氮化物鐵電體的疇動(dòng)力學(xué)相較于傳統(tǒng)氧化物鐵電體（單原子移動(dòng)）更為復(fù)雜，導(dǎo)致其具有較高的極化反轉(zhuǎn)勢(shì)壘，面臨高矯頑場(chǎng)和喚醒行為等問題，制約其大規(guī)模應(yīng)用。因此，深入理解這一新型鐵電材料極化反轉(zhuǎn)過程中的疇運(yùn)動(dòng)機(jī)制，以最小的能源成本調(diào)控疇壁運(yùn)動(dòng)，是這一體系亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。
據(jù)此，黎大兵團(tuán)隊(duì)與合作者利用暗場(chǎng)像透射電子顯微鏡（DFTEM）觀測(cè)到了AlScN極化反轉(zhuǎn)過程中疇壁的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)過程，并結(jié)合第一性原理計(jì)算闡明了纖鋅礦鐵電體低場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的疇壁運(yùn)動(dòng)機(jī)制：纖鋅礦鐵電體中疇壁的橫向運(yùn)動(dòng)由于具有更低的能量勢(shì)壘總是優(yōu)先于縱向運(yùn)動(dòng)發(fā)生。這一現(xiàn)象顛覆了傳統(tǒng)Kolmogoro-Avrami-Ishibashi（KAI）模型中“先縱向生長(zhǎng)后橫向擴(kuò)張”的認(rèn)知，建立了纖鋅礦鐵電體特有的疇運(yùn)動(dòng)框架?；诖耍瑘F(tuán)隊(duì)通過調(diào)控生長(zhǎng)初期氮化過程，實(shí)現(xiàn)貫穿整個(gè)薄膜的混合極性疇結(jié)構(gòu)，以此促進(jìn)疇壁橫向運(yùn)動(dòng)、抑制縱向運(yùn)動(dòng)，從而降低了疇壁運(yùn)動(dòng)的總能量。這一新策略在保持AlScN薄膜高剩余極化強(qiáng)度的前提下，不僅徹底消除了喚醒行為，更成功將矯頑場(chǎng)（Ec）降低25%（ΔEc=1.3 MV/cm)，最終實(shí)現(xiàn)了6英寸晶圓級(jí)無喚醒行為、性能均勻穩(wěn)定的高質(zhì)量薄膜制備，晶體質(zhì)量及鐵電性能均處于國際領(lǐng)先地位。
綜上所述，該研究加深了對(duì)纖鋅礦鐵電體疇動(dòng)力學(xué)機(jī)制和調(diào)控規(guī)律的理解，建立了微觀疇壁運(yùn)動(dòng)與宏觀鐵電性能的跨尺度關(guān)聯(lián)，為低場(chǎng)調(diào)節(jié)疇壁運(yùn)動(dòng)提供了一種可行的策略，對(duì)促進(jìn)低能耗、高穩(wěn)定性、性能均勻的鐵電器件在大規(guī)模CMOS架構(gòu)中的應(yīng)用具有重要意義。
DFTEM結(jié)合第一性原理計(jì)算揭示疇壁運(yùn)動(dòng)機(jī)制以及鐵電性能調(diào)控規(guī)律。
長(zhǎng)春光機(jī)所副研究員劉明睿，碩士研究生李丹，浙江大學(xué)研究員劉中然為論文第一作者，長(zhǎng)春光機(jī)所孫曉娟研究員、浙江大學(xué)田鶴教授、長(zhǎng)春光機(jī)所黎大兵研究員為共同通訊作者。
論文信息：Mingrui Liu, Dan Li, Zhongran Liu, Yuan Gao, Hang Zang, Zhiming Shi, Jianwei Ben, Ke Jiang, Bo Lai, Wei Zhang, Shuai Wang, Wei Lü, Xiaojuan Sun,* He Tian,* and Dabing Li*. Low-Field-Driven Domain Wall Motion in Wurtzite Ferroelectrics. Adv. Mater. 2025, 2505988. 論文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202505988
