《Nature Communications》：Precise structure and polarization determination of Hf0.5Zr0.5O2 with electron ptychography
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为解决下一代铁电存储器与晶体管中Hf0.5Zr0.5O2(HZO)材料铁电性内在机制不明的争议，研究人员利用多层切片电子叠层衍射成像技术 (electron ptychography) 对无衬底HZO薄膜进行原子尺度表征。研究精确测定了铁电相的极化位移与极化强度，揭示了晶界处显著的极化抑制现象，并首次在HZO中证实了局域于单胞层的180°头对头带电畴壁的存在及其与氧空位富集的关系。该成果为优化与设计新型铪基铁电器件提供了关键的结构信息。
在现代信息技术的浪潮中，对更快速、更节能、更微型化电子器件的追求从未止步。铁电材料，这种能在外部电场作用下产生稳定自发极化、并能在撤去电场后保持该极化的神奇物质，被视为实现下一代高性能非易失性存储器和低功耗晶体管的明星候选者。其中，铪锆氧化物(HfxZr1-xO2， 简称HZO， 其中一种常见组分为Hf0.5Zr0.5O2)近年来异军突起。与传统钙钛矿铁电材料相比，HZO具有与现有硅基半导体工艺完美兼容、可在纳米尺度厚度下保持优异铁电性等独特优势。然而，就在科学家们为这一发现欢欣鼓舞时，一个根本性的谜团也随之浮现：HZO的铁电性究竟从何而来？其微观结构基础是什么？这一问题之所以悬而未决，根源在于材料本身极其复杂的微观世界。在实际制备的薄膜中，纳米尺度的多晶性和多种物相（包括铁电相和非铁电相）常常共存，形成一幅错综复杂的“马赛克”。传统的表征技术在这幅纳米“马赛克”面前显得力不从心，难以精确区分不同物相，更无法在原子尺度上精确定量关键的极化位移和氧原子位置。这种认知上的模糊，严重制约了人们从本质上理解HZO的铁电行为，也阻碍了基于此材料的高性能器件的优化与设计。为了拨开这层迷雾，一项发表于《Nature Communications》的研究应运而生。
研究人员所采用的核心技术方法是多层切片电子叠层衍射成像技术 (multislice electron ptychography)。这是一种先进的透射电子显微成像方法，通过扫描电子探针并收集每个扫描位置的全套衍射花样，再结合复杂的相位复原算法，能够实现远超传统显微镜分辨率的原子级成像。这项技术在本研究中展现出了多重强大能力：实现了高达25皮米（picometers）的空间分辨率，能够清晰分辨轻元素氧原子，具备深度方向的分辨能力（即三维信息），并能对氧空位等点缺陷进行定量分析。借助这一利器，研究团队对无衬底的Hf0.5Zr0.5O2薄膜进行了深入探究。
研究结果揭示了HZO铁电性的多个关键结构特征：
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铁电相极化位移的精确测定：通过对铁电相区域的原子位置进行精确测量，研究人员首次定量给出了Hf0.5Zr0.5O2中的极化位移值。他们发现，导致自发极化的原子位移量约为56 ± 6皮米。基于这一位移量计算得出的宏观极化强度约为34 ± 4微库仑每平方厘米（μC/cm2）。这一精确测量为理解该材料的铁电强度提供了直接的实验基准。
- 2.
晶界与中性畴壁对极化的影响：研究进一步考察了材料微观缺陷对铁电性的影响。结果发现，在晶粒边界（grain boundaries）附近，材料的极化强度会受到显著抑制。这一现象表明，晶界可能是限制器件性能或导致性能不均匀性的关键区域。相比之下，在180°中性畴壁（neutral domain walls）处，极化状态几乎没有发生明显变化，说明此类畴壁对材料整体铁电性的负面影响较小。
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带电畴壁的发现与表征：本研究最具突破性的发现之一是首次在Hf0.5Zr0.5O2中证实了180°头对头带电畴壁（180° head-to-head charged domain wall）的存在。更为重要的是，研究人员发现这种带电畴壁被严格限制在仅仅一个单胞层（unit cell layer）的厚度内，显示出极高的局域性。在这一极其狭窄的区域内，原子结构发生了剧烈变化：极化位移大幅减小至仅约4皮米，同时氧空位（oxygen vacancies）的浓度显著累积，可高达20%。令人惊讶的是，紧邻该带电畴壁的极性层（polar layers）的原子结构却保持不变。这一发现揭示了带电畴壁独特的结构状态，它并非一个简单的结构过渡区，而是一个具有特定原子排布和缺陷化学特征的独立“界面相”。
该研究通过超高空间分辨率的电子叠层衍射成像技术，成功实现了对Hf0.5Zr0.5O2铁电材料原子结构的精确解析。它不仅定量给出了铁电相的基本极化参数，更重要的是，深入揭示了材料内部不同微观结构特征（如晶界、中性畴壁和带电畴壁）对铁电性的差异化影响机制。特别是对局域于单胞层的带电畴壁及其伴随的氧空位富集现象的发现，为理解HZO中铁电畴的钉扎、翻转动力学以及器件的疲劳、保持特性等关键物理问题提供了全新的微观视角。这些原子尺度的精确信息，如同为材料科学家和器件工程师提供了一份详尽的“结构地图”，对于从根本上理解铪基铁电材料的物理机制，以及针对性地优化薄膜生长工艺、设计新型畴壁电子学器件和开发更可靠的铁电存储器与晶体管具有至关重要的意义。
