北京时间7月3日，华东师范大学以第一完成单位在《科学》发表最新研究成果，提出全新铁电畴翻转机制，为新型氮化物铁电材料结构设计和性能优化提供了重要指导。

华东师范大学以第一完成单位在《科学》发表最新研究成果

　　华东师范大学信息与电子工程学院（集成电路科学与工程学院）、极化材料与器件教育部重点实验室成岩教授/吴宇宁教授团队，在纤锌矿型AlScN新型铁电极化翻转机制研究方面取得重要进展，相关成果以"Alternating atomic-dipole layers and switching dynamics in Al₁₋ₓScₓN ferroelectrics" 为题发表于国际顶级学术期刊 《科学》（Science）。

克服极高能垒的翻转困局

　　铁电材料之所以能存储数据，关键在于其内部的极化状态可以通过外加电场进行翻转，就像无数个可以微观控制的开关。

　　在众多候选材料中，纤锌矿结构的氮化钪铝（AlScN）因具备大极化强度、优异的热稳定性，且能与现有的半导体工艺完美兼容，被科学界认为是面向下一代微电子芯片的极具潜力关键材料之一。

　　然而，要让这一材料顺畅工作，科学家们此前遭遇了难以逾越的困境。

　　“纤锌矿氮化物的极化翻转发生在强共价键合的四面体晶格中。按照传统的集体离子位移模型，要让这些原子‘齐步走’一样同时翻转，需要克服极高能垒”，华东师范大学成岩教授介绍道。

　　虽然此前实验表明，引入钪（Sc）原子能够降低翻转所需的电场（矫顽场），但其背后的微观动力学机理长期缺乏直接的实验证据。这成为了制约该材料走向实际器件调控的核心科学难题。

建立原子级化学有序和翻转动力学之间的直接关联

　　为了解开这个谜团，科研团队利用尖端的球差校正透射电子显微镜，在纳米甚至原子尺度下，对AlScN薄膜内部的局域原子偶极矩进行了高精度的定量表征。更进一步的是，团队在原位条件下，实时追踪了原子级极化翻转的全过程。

　　实验结果令研究人员感到振奋——原子的翻转并非传统想象中的“齐步走”。

　　联合团队首次在AlScN体系中建立起原子级化学有序和翻转动力学之间的直接关联。他们发现，在强键合、非传统铁电晶格中，局域化学有序和原子层尺度的偶极调制可以成为调控极化翻转的关键钥匙。

　　“简单来说，它不是集体的整齐改变，而是通过局域的、层状的交替调制，重构了极化势垒，让翻转变得更轻巧。”成岩解释说，“这一全新机制不仅拓展了铁电物理的基本图景，也让我们对强键合纤锌矿铁电体的本质有了颠覆性的认识。

Al0.82Sc0.18N薄膜中的周期性调制结构：(A)(B)证实该薄膜为高度c轴取向的柱状晶纤锌矿结构。(C)-(G)通过原子尺度成像和理论计算，揭示材料沿极化翻转方向表现出原子层间距交替变化的原子偶极矩层。

Al1-xScxN薄膜组分调制铁电特性的原子尺度结构起源：(A)-(C) 表明随Sc浓度升高，铁电电滞回线和开关电流发生显著变化。(D)-(F) 的原子级成像则揭示相邻层间距随Sc浓度的演变。

时间分辨原子尺度极化动力学翻转过程：(A)(B) 极化翻转过程中原子级成像及对应的极化方向分布图，清晰呈现了畴壁结构。(C)(D) 通过原位跟踪同一晶胞随时间的演变，揭示了极化翻转动态过程及相邻层间距的实时变化。

原子尺度极化翻转的能垒景观： (A)-(D) 表明AlScN中存在通过多个中间态的分步翻转路径，其能垒明显低于协同翻转路径。 (E)-(G)表明Sc原子聚集对形成中间态并降低翻转垒有直接影响。

开启微电子芯片材料设计新路径

　　这项硬核发现，不仅是一次理论突破，更为产业界带来了巨大的想象空间。

　　长期以来，新型氮化物铁电材料的结构设计多依赖于试错式的经验探索。而随着这一全新机制的揭示，材料设计将正式走向基于原子尺度机制的可预测设计。

　　通过精确调控掺杂原子的局域分布、阳离子有序度以及原子层结构，科研人员有望在维持材料高热稳定性和半导体兼容性等优点的同时，进一步降低器件的工作电压、提升极化的可控性，为发展高性能铁电存储器、低功耗逻辑器件、高温电子器件等微电子芯片开辟了新的材料设计路径。

　　“这意味着，我们可以在原子层面精准定制未来的高性能铁电存储器和低功耗芯片材料。”成岩表示，这将为下一代半导体兼容铁电技术奠定重要基础。

　　这项成果的诞生，得益于多支青年科研团队的强强联合与高效协同。论文联合复旦大学集成电路与微纳电子创新学院刘明院士、刘琦教授、魏莹芬青年研究员团队，共同通讯作者为华东师范大学成岩教授、吴宇宁教授和复旦大学魏莹芬青年研究员，共同第一作者为华东师范大学郑勇辉副教授、白瑞荣博士、辛天骄博士和复旦大学博士研究生赵轩宇。论文重要合作者包括华东师范大学段纯刚教授、浙江大学田鹤教授、安徽大学葛炳辉教授，以及复旦大学刘明院士、刘琦教授、陈时友教授。

　　该研究得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划、上海市科委等项目的支持，以及华东师范大学公共服务创新平台微纳加工中心和高性能计算中心的支持。

来源｜信息与电子工程学院（集成电路科学与工程学院） 科技处　采访、编辑｜吴潇岚　编辑｜苏鑫悦　编审｜佘梦欣