外延生长纤锌矿铁电体中的畴成核与生长机制及其在新型电子器件中的潜在应用

这篇研究通过铁电性能测试与扫描透射电镜（STEM）联用技术，首次实现了(Al, B, Sc)N薄膜的原位极化切换观测。研究发现该材料具有120 μC cm?2的剩余极化和≈6 MV cm?1矫顽场，其畴壁呈现锯齿状形貌且沿电极/薄膜界面横向扩展最快。工作揭示了纤锌矿铁电体（wurtzite ferroelectrics）独特的"死层"残留现象和Ga偏析效应，为下一代电子器件设计提供了关键结构动力学依据。

　　

1 引言

纤锌矿型铁电体因其独特的铁电特性、低介电常数和高热稳定性成为研究热点。这类材料的自发极化沿c轴定向，在薄膜中仅存在金属极性（M-polar）和氮极性（N-polar）两种取向。虽然自2019年以来已有多个团队通过原子尺度实验证实了AlN等材料的铁电切换行为，但关于畴壁形貌、结构和运动机制的认知仍存在空白。特别值得注意的是，传统Kolmogorov–Avrami–Ishibashi（KAI）模型难以完全解释其非线性畴壁传播特性，而机器学习力场模拟则揭示了AlN中畴壁的分形生长特征。

2 结果与讨论

采用n-GaN衬底外延生长的Al_0.78B_0.04Sc_0.18N薄膜表现出优异的结晶质量。电学测试显示其剩余极化达120 μC cm^?2，矫顽场≈6 MV cm^?1。透射电镜分析发现：

• 初始状态：沉积态薄膜呈现均匀的M-polar构型

• 切换后：N-polar区域在薄膜中部形成，但上下电极界面处残留未切换的"死层"

• 畴壁特征：底部电极附近出现12-40 nm宽的锯齿状畴壁，倾斜角与{2￣11}晶面平行

创新的原位STEM实验采用电子束诱导电极充电技术，首次捕捉到畴成核的动态过程：

1. 成核位点：始终在n-GaN界面附近优先发生

2. 扩展机制：横向传播速度显著快于垂直方向

3. 终止条件：畴壁在距顶部电极≈50 nm处停滞

原子分辨率成像结合环形暗场（ADF）、微分相位衬度（DPC）技术证实，畴边界存在复杂的极性过渡区。能谱分析排除了氧偏析的影响，但检测到Ga元素在未切换区域的富集，这可能是导致界面"死层"形成的关键因素。

3 结论

该研究系统揭示了(Al, B, Sc)N薄膜中：

• 极化切换受衬底界面晶格匹配和Ga迁移双重调控

• 畴壁运动呈现显著各向异性

• 倾斜畴壁优先沿特定晶面取向

这些发现为优化纤锌矿铁电存储器件的性能提供了重要指导。

4 实验方法

薄膜采用三靶磁控溅射系统在350°C下生长，电极通过电子束光刻制备。电学测试使用高压放大器在6.85 MV cm^?1场强下进行"唤醒"处理。STEM表征在200 kV球差校正电镜完成，原位实验采用1 nA束流诱导极化切换。图像模拟采用Dr. Probe软件包结合冻结声子法实现。