铁电HfxZr1-xO2薄膜中通过四方相作为亚稳态中间相的极化切换路径揭示

本研究针对铁电HfxZr1-xO2(HZO)薄膜极化切换路径不明的关键问题，通过理论预测与实验验证，首次揭示了以非极性四方相(T-phase)为亚稳态中间相的O-T-O相变路径。研究人员设计铁电/介电堆栈结构，结合原位掠入射X射线衍射(GIXRD)技术，证实了正交相(O-phase)极化切换过程中能量三重阱的存在，并通过调控缺陷和界面特性将矫顽场(EC)降至0.6 MV/cm，工作电压<0.65V。该发现为HZO基铁电器件的低功耗设计提供了物理基础。

　　

在微电子器件追求小型化与低功耗的今天，传统钙钛矿铁电材料因尺寸缩放限制遭遇发展瓶颈。2011年HfO₂基材料中铁电性的发现开辟了新方向，但其极化切换机制始终存在争议。尤其令人困惑的是，这类材料表现出远高于传统铁电体的矫顽场(E_C)，严重制约了低电压操作。问题的核心在于：正交晶系(O-phase)铁电极化切换时，原子尺度的中间态结构及其能量演变过程尚未明确。

为解决这一基础物理问题，Danyang Chen等研究团队在《Nature Communications》发表的研究中，首次揭示了铁电HZO薄膜中通过四方相(T-phase)作为亚稳态中间态的极化切换路径。研究采用Landau-Ginzburg-Devonshire(LGD)理论模型分析循环极化过程中能量景观的演变，发现从反铁电(AFE)特性向铁电(FE)特性转变时，材料会形成具有三重能量阱的特殊状态——尽管宏观表现为单回线，却隐藏着以T相为中间态的O-T-O相变路径。为验证这一预测，团队创新性地将铁电电容与介电电容串联，通过极化电流峰分裂现象直接证实了三重阱能量景观的存在。

研究的关键技术包括：1) 采用原子层沉积(ALD)制备Hf_0.5Zr_0.5O₂薄膜器件；2) 同步辐射光源原位GIXRD技术捕捉电场诱导相变；3) 透射电镜(TEM)表征微观结构；4) 正负上-下(PUND)测试消除漏电影响。

理论预测FE-HZO中的三重阱能量函数

通过分析HZO电容在10³次极化循环中从AFE双回线向FE单回线的转变过程，LGD模型拟合显示能量景观从典型AFE三重阱逐渐演变为特殊的三重阱铁电(TFE)状态。这种状态下中间阱对应T相，仅在|V|≥V_c时作为亚稳态存在。

三重阱能量景观的实验验证

串联200pF介电电容后，单峰极化电流分裂为双峰的现象，与三重阱能量模型预测完全一致。通过调节介电电容值证实，该现象源于能量匹配而非局部印记效应。

TFE-HZO中O-T-O相变路径

15nm Hf_0.2Zr_0.8O₂薄膜的原位GIXRD显示：30.4°处的T(101)/O(111)峰在±5.5V电场下发生可逆偏移，对应T-O相变。34.8°处O/T(002)峰强度的同步变化进一步证实了(002)取向O相的主导贡献。

低E_C TFE-HZO的实现

通过调控后金属化退火(PMA)温度和引入Al₂O₃界面层，将8nm Hf_0.5Zr_0.5O₂薄膜的E_C降至0.6 MV/cm，在0.65V工作电压下获得2P_r>20μC/cm²的极化强度，同时实现>10¹¹次循环耐久性。

这项研究不仅阐明了HZO基铁电材料独特的极化切换机制，更通过能量工程为低功耗铁电存储器设计提供了新范式。发现非极性T相作为极化切换必经的"驿站"，解释了传统钙钛矿铁电器件中未曾观察到的三重阱能量景观。所开发的低电压操作方案，使HZO薄膜在先进存储器和逻辑器件的应用迈出关键一步。