【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所特種發(fā)光科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室黎大兵團(tuán)隊聯(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驅(qū)動的疇壁運動新機制。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自發(fā)/壓電極化性能、強鐵電性能、高居里溫度、CMOS兼容等優(yōu)勢，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力學(xué)相較于傳統(tǒng)氧化物鐵電體(單原子移動)更為復(fù)雜，導(dǎo)致其具有較高的極化反轉(zhuǎn)勢壘，面臨高矯頑場和喚醒行為等問題，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)過程中的疇運動機制，以最小的能源成本調(diào)控疇壁運動，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)隊與合作者利用暗場像透射電子顯微鏡(DFTEM)觀測到了AlScN極化反轉(zhuǎn)過程中疇壁的實時運動過程，并結(jié)合第一性原理計算闡明了纖鋅礦鐵電體低場驅(qū)動的疇壁運動機制：纖鋅礦鐵電體中疇壁的橫向運動由于具有更低的能量勢壘總是優(yōu)先于縱向運動發(fā)生。這一現(xiàn)象顛覆了傳統(tǒng)Kolmogoro-Avrami-Ishibashi(KAI)模型中“先縱向生長后橫向擴張”的認(rèn)知，建立了纖鋅礦鐵電體特有的疇運動框架。基于此，團(tuán)隊通過調(diào)控生長初期氮化過程，實現(xiàn)貫穿整個薄膜的混合極性疇結(jié)構(gòu)，以此促進(jìn)疇壁橫向運動、抑制縱向運動，從而降低了疇壁運動的總能量。這一新策略在保持AlScN薄膜高剩余極化強度的前提下，不僅徹底消除了喚醒行為，更成功將矯頑場(Ec)降低25%(ΔEc=1.3 MV/cm)，最終實現(xiàn)了6英寸晶圓級無喚醒行為、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，該研究加深了對纖鋅礦鐵電體疇動力學(xué)機制和調(diào)控規(guī)律的理解，建立了微觀疇壁運動與宏觀鐵電性能的跨尺度關(guān)聯(lián)，為低場調(diào)節(jié)疇壁運動提供了一種可行的策略，對促進(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)合第一性原理計算揭示疇壁運動機制以及鐵電性能調(diào)控規(guī)律。
 

　　長春光機所副研究員劉明睿，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，長春光機所孫曉娟研究員、浙江大學(xué)田鶴教授、長春光機所黎大兵研究員為共同通訊作者。