螢石鐵電體晶界穩定機制研究取得新進展 | 進展

鐵電材料因具備本征自發極化與極化可翻轉的特性，在非易失性存儲、智能傳感、存算一體芯片等領域具有重要應用前景。螢石結構鐵電材料與主流硅基半導體工藝完全兼容好，是當前半導體產業的研究熱點。這類材料的鐵電特性源于極性正交相，而該相在室溫下呈亞穩態，在器件服役過程中，極易受溫度、電場循環等因素影響發生相變，最終徹底喪失鐵電特性、導致器件失效。

針對鐵電亞穩相穩定這一長期未解決的科學難題，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心研究團隊通過深入結構研究發現，鐵電薄膜中大量存在的晶界，潛藏著調控物相穩定性的巨大潛力。他們采用借助脈沖激光沉積技術、先進透射電子顯微技術等綜合手段，系統研究了晶界的原子結構及其對鐵電相穩定的調控機制，最終揭示出緩沖層中的La、Sr、Mn元素會向ZrO?薄膜內擴散，且僅選擇性富集于晶界區域，晶粒內部無明顯擴散，進而在晶界處形成了原子級銳利、化學高度有序的La(Sr)-Mn-O異質結構。

團隊進一步解析僅局域于ZrO?晶界處的有序結構基元，明確了晶界處Mn原子分別占據6配位和5配位兩種不同晶格位點，并沿晶界呈+3、+4價態周期性交替排列，其3d電子軌道同步形成了周期性的eg/t2g軌道有序排布。這種獨特的軌道有序晶界，可直接調控相鄰Mn-O鍵的共價性，進而周期性削弱晶界附近Zr-O鍵的軌道雜化與重疊程度，最終系統性降低亞穩正交相的能量，在5nm ZrO?薄膜中實現了高含量鐵電相的穩定。該研究提出的晶界調控策略，證實晶界可作為獨立功能單元，直接調控并穩定納米材料的物相結構，為螢石鐵電材料的亞穩相穩定提供了全新的調控維度，為解決螢石鐵電器件的疲勞失效難題提供了科學基礎。

相關研究成果以“Grain boundary stabilization of fluorite ferroelectrics”為題發表于Nature Materials。物理所博士生王詩雨、魯東大學副教授鐘海、華中師范大學宋思逸為論文共同第一作者，物理所張慶華副研究員、葛琛研究員、清華大學谷林教授為共同通訊作者，合作者還包括物理所金奎娟研究員、蘇東研究員等。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院青年創新促進會等項目的資助。

圖. 異質晶界形成示意圖、實驗驗證及其有序原子結構。

編輯：夜凌Ryelin