随着人工智能、物联网、大数据等新信息技术的快速发展和普及，全球数据量呈爆炸式增长。然而，由于物理极限、存储差距和高功耗，市场上的主流存储产品无法满足未来海量数据处理的要求。因此，发展大容量、高密度、低功耗、高读写速度的新型非易失性存储器正成为世界前沿技术的迫切需求。
铁电存储器是一种新型非易失性存储器，利用铁电材料的双稳态极化来存储信息。由于其优异的抗辐射性能和长期的数据存储能力，是未来最具竞争力的非易失性信息存储器之一，受到国内外的高度关注。但由于尺寸效应的限制，传统的钙钛矿结构铁电材料(如锆钛酸铅等)在纳米厚度下难以保持铁电性，铅等重金属离子的存在使其难以与CMOS工艺兼容，阻碍了钙钛矿铁电器的大规模应用。在后摩尔时代新型存储器产业化中，作为集成电路生产线上常用的高材料氧化(HfO2)铁电性的发现是可能的。HfO2基铁电子材料具有无与伦比的优异性能，如薄膜越薄，铁电性越强，亚纳秒级超快翻转速度等，有望引领存储器突破物理极限、存储差距和集成电路技术的兼容性。
但在第一性原理计算和TEM超高分辨率实验观察中，发现HfO2铁电正交相中存在特殊的“隔离带”结构，即极性层被隔离带交替隔离，隔离带隔离相邻晶胞中的偶极相互作用，其电偶极子可以在单个晶胞内稳定并独立翻转，壁厚几乎为零。为了设计铁电存储器，还必须建立原子尺度“隔离带”与宏观电气性能的关系。如何通过介观理论建立这种宏观与微观的关系是一个巨大的问题。
近日，Xi安电子科技大学周益春教授团队通过相场模拟可视化了Hf0.5Zr0.5O2(HZO)在薄膜中区分时间的纳米尺度铁电类翻转动力学过程，表明无尺度类别的独立翻转特性(横向尺寸1nm的不可约极性类别仍然可以稳定)和尖锐类别壁，这源于相邻类别之间的弱相互作用，这种相互作用可以通过梯度能系数来量化，它揭示了铁电类动力学中隔离带的介观机制。与此同时，180被澄清°极化翻转机制，以新类形核为主，具有较高的形核密度，与形核受限翻转模型一致。与此同时，180被澄清°极化翻转机制以新类型的形核为主，具有较高的形核密度，与形核受限翻转模型一致。该研究不仅提供了隔离带在类动力学中的介绍机制，还将进一步推动铁电类型的精细控制，研发高密度、快速HfO2基膜铁电存储器。
研究结果显示了Hf0.5Zr0.在铁电类翻转动力学中，5O2薄膜中隔离带的作用(Revealing the Role of Spacer Layer in Domain Dynamics of Hf0.5Zr0.5O2Thin Films for Ferroelectrics)最近，Advanceded在材料领域的网上发表了著名的学术期刊 Functional Materials。先进材料与纳米科技学院副教授彭仁赐、博士生文树斌为论文第一作者，廖敏教授、周益春教授为共同通信作者，深圳大数据研究院研究科学家程晓行博士、宾夕法尼亚州立大学陈龙庆教授等其他重要贡献者。先进材料与纳米科技学院副教授彭仁赐、博士生文树斌为论文第一作者，廖敏教授、周益春教授为共同通信作者，深圳大数据研究院研究科学家程晓行博士、宾夕法尼亚州立大学陈龙庆教授等其他重要贡献者。研究工作得到了国家自然科学基金委员会和陕西省自然基金的支持。
本文构建了HZO铁电薄膜顺电四方相电四方相电四方相电四方相电，以从介观尺度揭示微观“隔离带”结构的作用。(T)-铁电正交相(O)相场模型，表现出极化的温度依赖特性和相应的类结构。在室内温度处极化突变为零，表明T-O相变为一阶相变，这与实验一致，表明模型的可靠性。此外。研究表明，HZO膜在室温下由B类和C类混合而成，而在外电场的作用下，B类被铁弹翻转成C类，这揭示了唤醒效应的一个主要机制。
与HZO铁电膜和BaTiO33相比，为了从介观尺度揭示“隔离带”结构对类别进化的影响，(BTO)铁电膜的类别翻转和类别壁特性，展示了HZO铁电在施加和拆除方形局域电场后的进化行为。结果表明，面部尺寸为1。 在拆除电场后，nm的反向类可以独立翻转，并且仍然可以稳定存在，这表明HZO中相邻铁电类之间的相互作用可以忽略不计，这一相互作用可以通过梯度能系数来量化，这揭示了铁电类动力学中隔离带的介观机制。而且BTO铁电类稳定存在的面内临界尺寸为4nm，3nm及以下尺寸的铁电类不能贯穿薄膜并稳定存在，表现出较强的类之间的相互作用。而且BTO铁电类稳定存在的面内临界尺寸为4nm，3nm及以下尺寸的铁电类不能贯穿薄膜并稳定存在，显示出较强的类之间的相互作用。研究表明，HZO有一个尖锐的类别墙，而BTO的类别墙是扩散的，这也反映了两个类别之间的显著差异。
此外，为了揭示电场作用下“隔离带”对类别进化行为的影响规律，可视化了HZO薄膜中铁电类别翻转的动态过程，展示了电场作用下铁电类别翻转的全过程。铁电类别的核阶段主导着整个翻转过程，而类别成长过程所需的时间步长几乎可以忽略不计，模拟结果和形核翻转受限。(NLS)模型是一致的，所以它的极化翻转机制是以新的类型核为主。(通讯员：石文超)
发表评论