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近日,中國科學院長春光學精密機械與物理研究所黎大兵團隊聯(lián)合浙江大學田鶴團隊,在纖鋅礦鐵電體研究方面取得進展,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。
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、難以與主流半導體工藝平臺相兼容等應用瓶頸,在5G通信、電力電子、人工智能等領域具有應用前景。但是,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相較于傳統(tǒng)氧化物鐵電體更為復雜,導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,這制約了其大規(guī)模應用。因此,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鍵科學問題。
該研究利用暗場像透射電子顯微鏡觀測到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,即纖鋅礦鐵電體中疇壁的橫向運動具有更低的能量勢壘,因此優(yōu)先于縱向運動發(fā)生。這一現(xiàn)象顛覆了傳統(tǒng)KAI模型中“先縱向生長后橫向擴張”的觀點,建立了纖鋅礦鐵電體特有的疇運動框架?;诖耍芯客ㄟ^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,以促進疇壁橫向運動、抑制縱向運動,并降低疇壁運動的總能量。這一新策略在保持AlScN薄膜高剩余極化強度的前提下,消除了喚醒行為,將矯頑場降低25%,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。
上述研究加深了科學家對纖鋅礦鐵電體疇動力學機制和調(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聯(lián),為低場調(diào)節(jié)疇壁運動提供了可行策略,對促進低能耗、高穩(wěn)定性、性能均勻的鐵電器件在大規(guī)模CMOS架構中的應用具有重要意義。
相關研究成果發(fā)表在《先進材料》(Advanced Materials)上。
研究利用暗場像透射電子顯微鏡并結(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
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