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为优化 HfO2基铁电体（FE）性能，研究人员开展 Hf0.5Zr0.5O2薄膜铁电畴取向工程研究。结果发现隐藏相变途径，可调控畴取向增强剩余极化。该研究为控制铁电性能提供新策略。
在现代电子技术蓬勃发展的浪潮中，铁电材料作为关键的基础材料，其性能优化一直是科研领域的热门话题。HfO
2基铁电体自 2011 - 2015 年被发现以来，在铁电材料科学和非易失性存储器应用方面备受关注。对于铁电存储器而言，优化其剩余极化（
Pr）、保持性、耐久性、开关速度等性能至关重要。人们普遍认为，HfO
2基薄膜的铁电性源于热退火过程中四方相（T）向单斜相（M）转变时形成的亚稳正交相（O，
Pca21）。因此，控制铁电性能的关键通常在于调控薄膜的相组成和 O 相含量。在过去十年，科研人员尝试了多种方法，如调整掺杂剂、沉积方法、退火条件等，但目前仍面临一些挑战。一方面，通过控制相组成来优化铁电性能的效果逐渐达到瓶颈；另一方面，对于通过调制铁电畴取向来控制极化这一途径，研究还不够深入。
为了突破这些困境，上海交通大学、中国科学院宁波材料技术与工程研究所、复旦大学、中国科学技术大学等机构的研究人员携手开展了一项深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为该领域带来了新的曙光。
研究人员采用了多种关键技术方法。在材料制备方面，通过自制磁控溅射外延系统合成 TiN 底部电极，利用热原子层沉积（ALD）生长 Hf0.5Zr0.5O2（HZO）薄膜，并通过反应磁控溅射沉积顶部电极。在结构表征上，运用基于同步辐射的掠入射 X 射线衍射（GIXRD）技术研究薄膜的晶体织构，采用拉曼光谱辅助分析相含量，借助透射电子显微镜（TEM）获取微观结构信息。在电学性能测试方面，使用半导体参数分析仪测量极化 - 电场（P - E）曲线，进行耐久性测试。
研究结果
- HZO 在不同取向 TiN 衬底上的晶体织构：利用 GIXRD 技术对生长在 TiN（001）、（110）和（111）衬底上的 10nm HZO 薄膜晶体织构进行研究。结果发现，TiN 衬底取向对调整 O 相总含量影响有限，但能显著影响 T/O 晶粒的织构。使用 TiN（001）和 TiN（111）衬底时，002O/(110)T/(002)T晶粒可实现面外取向，为后续获得（001）O和 / 或（010）取向的畴奠定基础。
- 衬底取向对畴取向的调控：通过高分辨率扫描 / 透射电子显微镜（S/HRTEM）对样品进行研究，结果表明，TiN 衬底取向对 HZO 中的畴取向有明显的调控作用。在 TiN（001）和（111）衬底上的 HZO 薄膜中，（010）取向的畴占主导，且（001）取向的畴也在部分区域出现，这些畴的自发极化可完全贡献于Pr；而在 TiN（110）衬底上的 HZO 薄膜中，存在多种取向的畴，部分畴对Pr的贡献受限。
- 超越 O 相含量控制的Pr工程：研究人员进一步探究了畴取向对 HZO 的Pr值的影响。实验结果显示，尽管不同取向 TiN 衬底上的 HZO 薄膜 O 相含量相似，但畴取向不同。TiN（001）和（111）衬底上的 HZO 薄膜，因其主要为（001）和 / 或（010）取向的畴，Pr性能得到增强，这一结果通过 P - E 曲线表征得到验证。
- 导致畴取向调整的隐藏 T - O 相变途径：研究人员发现了一种隐藏的 T - O 相变途径，即 T 相的最长 c 轴转变为 O 相的较短bo/co轴，这与之前报道的转变为最长a0轴的途径不同。这种隐藏相变途径在 TiN（001）和（111）衬底上的 HZO 薄膜中发生，由界面周期性位错辅助，避免了（100）取向的畴，实现了对（010）和（001）取向的 O 相（即（010）和（001）取向的畴）的调控。
研究结论与讨论
该研究成功实现了在多晶 HZO 的 O 相晶粒中对（001）O和 / 或（010）取向畴的控制，并增强了Pr。这得益于除了已知的 T 相到 O 相的转变途径外，还发现了一种隐藏的转变途径，该途径由界面周期性位错辅助。这一发现为通过控制界面位错来调控 HZO 的畴取向和铁电性能提供了新的思路，为 HfO2基铁电材料在非易失性存储器等领域的进一步应用奠定了理论基础，有望推动相关电子器件性能的提升，在铁电材料领域具有重要的科学意义和应用价值。
