Nature：直接在硅上生长的超薄薄膜具有增强的铁电性

兔兔

2020-04-23

超薄铁电材料具有实现低功耗钙钛矿铁电四方性逻辑和非易失性存储器的潜力。然而，随着铁电材料变薄，铁电性通常会被抑制。铁电体中的尺寸效应已经在钙钛矿氧化物（铁电体系统的原型）中得到了深入的研究。有鉴于此，美国加州大学伯克利分校Sayeef Salahuddin与Suraj S. Cheema等人通过在硅上进行原子层沉积而生长萤石结构氧化物，报告了一种具有铁电性的超薄掺杂氧化铪（HfO₂）。

本文要点：

1）研究人员通过在硅上进行低温原子层沉积（ALD）来生长的超薄（1 nm厚）Hf_0.8Zr_0.2O₂（HZO），并证明了其铁电性。二次谐波的产生和先进扫描探针技术分别确定了反转对称破坏和可切换电极化的存在。

2）超薄HZO中不仅铁电稳定，而且萤石结构对称性的光谱和衍射特征也表明超薄状态下极性畸变增强。结果表明，与钙钛矿铁电材料不同，超薄HZO不仅不存在铁电临界厚度，而且随着膜厚度的减小，极性畸变也会增强。萤石结构系统中的这种尺寸效应不会在钙钛矿对应物中发生，这可以从对称性的角度来理解。

3）在经典的钙钛矿中，表面能驱动的尺寸效应在缩小尺寸时更倾向于高对称性顺电相（立方）而非低对称性铁电相（四方）。相反，在萤石中，非中心对称相（斜方晶Pca2₁，O相）相对于整体稳定的中心对称相（P2₁/c，M相）具有更高的对称性。因此，表面能可以在二维范围内促进（不稳定）萤石（钙钛矿）铁电体的反转对称性破坏。

这项工作将寻找铁电的基本极限研究转移到更简单的过渡金属氧化物系统，即从钙钛矿衍生的复合氧化物到萤石结构的二元氧化物，“反向”尺寸效应——HZO提出了一个很有前途的模型系统，在这个系统中可以探索铁电性的超薄极限。

Suraj S. Cheema, et al. Enhanced ferroelectricity in ultrathin films grown directly on silicon. Nature 2020, 580 (7804), 478-482.

DOI: 10.1038/s41586-020-2208-x.

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2208-x