综述：氧空位对氧化铪铁电行为影响的见解

（编辑推荐）本综述系统阐释了氧空位在氧化铪（HfO2）铁电相（orthorhombic phase）中的双刃剑作用：通过可控空位掺杂可稳定极化并提升耐久性（endurance），但非定向迁移会引发唤醒效应（wake-up）、疲劳（fatigue）及漏电流（leakage）。结合第一性原理计算与X射线光电子能谱（XPS）等表征技术，为开发硅兼容（Si-compatible）非易失性存储器提供了关键理论支撑。

　　

Abstract

氧化铪（HfO₂）薄膜的铁电性为新型非易失性存储器和逻辑器件提供了硅工艺兼容的解决方案。亚稳态正交相（orthorhombic phase）的稳定高度依赖氧空位调控——其既能通过电荷态改变相变能垒促进偶极子形成，又会在电场作用下迁移导致器件性能退化。同步辐射X射线吸收谱（XAS）显示，空位聚集会引发局部晶格畸变，而电子顺磁共振（EPR）证实单电离空位（V_O⁺）是影响极化翻转能垒的关键缺陷态。

氧空位的双面效应

掺杂工程（如Si、Al掺杂）通过引入受控空位浓度（~10¹⁹ cm^-3）可提升剩余极化强度（P_r≈20 μC/cm²），但过量空位会形成渗流路径导致漏电流激增。透射电镜电子能量损失谱（EELS）证实，空位在晶界处的偏析会加速疲劳失效，这种现象在5 nm超薄薄膜中尤为显著。

表征与调控策略

原位X射线衍射（XRD）揭示了退火温度（400-600°C）对空位分布的关键影响：低温退火形成孤立空位，而高温处理易产生空位团簇。界面氧工程（如TiN顶电极）可构建空位阻挡层，使器件循环寿命突破10¹⁰次。最新机器学习模型预测，Zr掺杂可协同优化空位形成能和极化稳定性，为神经形态突触器件设计提供新思路。

Conflict of Interest

作者声明无利益冲突。