近日，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所特種發光科學與技術國家重點實驗室黎大兵團隊聯合浙江大學材料科學與工程學院電子顯微鏡中心田鶴團隊在纖鋅礦鐵電體研究領域取得重大突破，揭示了纖鋅礦氮化物鐵電體中低場驅動的疇壁運動新機制。相關研究成果以“Low-Field-Driven Domain Wall Motion in Wurtzite Ferroelectrics”為題發表在《先進材料》(Advanced Materials)上。
以AlScN為代表的纖鋅礦氮化物鐵電材料具有強自發/壓電極化性能、強鐵電性能、高居里溫度、CMOS兼容等優勢，解決了傳統氧化物鐵電體鐵電相不穩定、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廣闊應用前景。然而，由于其極化反轉涉及金屬-氮原子協同遷移，纖鋅礦氮化物鐵電體的疇動力學相較于傳統氧化物鐵電體(單原子移動)更為復雜，導致其具有較高的極化反轉勢壘，面臨高矯頑場和喚醒行為等問題，制約其大規模應用。因此，深入理解這一新型鐵電材料極化反轉過程中的疇運動機制，以最小的能源成本調控疇壁運動，是這一體系亟需解決的關鍵科學問題。
據此，黎大兵團隊與合作者利用暗場像透射電子顯微鏡(DFTEM)觀測到了AlScN極化反轉過程中疇壁的實時運動過程，并結合第一性原理計算闡明了纖鋅礦鐵電體低場驅動的疇壁運動機制：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先于縱向運動發生。這一現象顛覆了傳統Kolmogoro-Avrami-Ishibashi(KAI)模型中“先縱向生長后橫向擴張”的認知，建立了纖鋅礦鐵電體特有的疇運動框架。基于此，團隊通過調控生長初期氮化過程，實現貫穿整個薄膜的混合極性疇結構，以此促進疇壁橫向運動、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)，最終實現了6英寸晶圓級無喚醒行為、性能均勻穩定的高質量薄膜制備，晶體質量及鐵電性能均處于國際領先地位。
綜上所述，該研究加深了對纖鋅礦鐵電體疇動力學機制和調控規律的理解，建立了微觀疇壁運動與宏觀鐵電性能的跨尺度關聯，為低場調節疇壁運動提供了一種可行的策略，對促進低能耗、高穩定性、性能均勻的鐵電器件在大規模CMOS架構中的應用具有重要意義。
DFTEM結合第一性原理計算揭示疇壁運動機制以及鐵電性能調控規律。
長春光機所副研究員劉明睿，碩士研究生李丹，浙江大學研究員劉中然為論文第一作者，長春光機所孫曉娟研究員、浙江大學田鶴教授、長春光機所黎大兵研究員為共同通訊作者。
