研究成果以“揭示Hf0.5Zr0.5O2薄膜中隔離帶在鐵電疇翻轉(zhuǎn)動力學(xué)中的作用”(Revealing the Role of Spacer Layer in Domain Dynamics of Hf0.5Zr0.5O2 Thin Films for Ferroelectrics)為題最近在線發(fā)表在材料領(lǐng)域著名學(xué)術(shù)期刊Advanced Functional Materials。先進材料與納米科技學(xué)院副教授彭仁賜、與博士生文樹斌為論文共同第一作者，廖敏教授與周益春教授為共同通訊作者，其他重要貢獻者包括深圳大數(shù)據(jù)研究院研究科學(xué)家程曉行博士、美國賓夕法尼亞州立大學(xué)陳龍慶教授。研究工作受到國家自然科學(xué)基金委和陜西省自然基金等支持。

圖 1. 氧化鉿鐵電正交相晶胞中隔離帶的示意圖[1]

為了從介觀尺度揭示微觀“隔離帶”結(jié)構(gòu)的作用，本文構(gòu)建了HZO鐵電薄膜順電四方相(T)-鐵電正交相(O)的相場模型。圖2展示了極化的溫度依賴特性以及相應(yīng)的疇結(jié)構(gòu)。圖2(b)中極化在居里溫度處突變?yōu)榱?，表明T-O相變?yōu)橐浑A相變，這與實驗相符，表明了模型的可靠性。此外。圖2(d)表明，室溫下HZO薄膜是由b疇和c疇混合構(gòu)成，而在外電場作用下b疇發(fā)生鐵彈翻轉(zhuǎn)成為c疇，這揭示了喚醒效應(yīng)的一個主要機制。

圖 2. Hf0.5Zr0.5O2(HZO)薄膜中，相場模擬得到的極化強度隨溫度變化曲線及在不同溫度下HZO薄膜鐵電疇結(jié)構(gòu)

為了從介觀尺度揭示“隔離帶”結(jié)構(gòu)對疇演化的影響，對比了HZO鐵電薄膜和BaTiO3(BTO)鐵電薄膜的疇翻轉(zhuǎn)以及疇壁特性。圖3(a-c)展示了施加和撤去方形局域電場后HZO鐵電疇的演化行為，結(jié)果表明：面內(nèi)尺寸為1 nm的反向疇能夠獨立翻轉(zhuǎn)并在撤去電場后仍能穩(wěn)定存在，表明HZO中相鄰鐵電疇之間的相互作用可以忽略，這種相互作用能通過梯度能系數(shù)來量化，這揭示了隔離帶在鐵電疇動力學(xué)中的介觀機制。而BTO鐵電疇穩(wěn)定存在的面內(nèi)臨界尺寸為4 nm，3 nm及以下尺寸的鐵電疇不能貫穿薄膜并穩(wěn)定存在，表現(xiàn)出較強的疇間相互作用（圖3(d-h)）。圖3(i-j)表明，HZO具有尖銳的疇壁而BTO的疇壁為擴散型，這也反映了兩者間疇翻轉(zhuǎn)行為的顯著差異。

圖3. HZO鐵電薄膜中鐵電疇的獨立翻轉(zhuǎn)及疇壁特性與鈣鈦礦鐵電BTO薄膜的對比 

進一步地，為了揭示電場作用下的“隔離帶”對疇演化行為的影響規(guī)律，可視化了HZO薄膜中鐵電疇翻轉(zhuǎn)的動態(tài)過程，如圖4所示。圖4(c-j)展示了電場作用下鐵電疇翻轉(zhuǎn)的整個過程，鐵電疇形核階段主導(dǎo)了整個翻轉(zhuǎn)過程，而疇長大過程所需的時間步長幾乎可以忽略，且模擬結(jié)果與形核受限翻轉(zhuǎn)(NLS)模型一致，因此其極化翻轉(zhuǎn)機制由新疇形核來主導(dǎo)。

圖4. HZO鐵電薄膜中180°疇翻轉(zhuǎn)動態(tài)過程的可視化及極化翻轉(zhuǎn)機制

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https://doi.org/10.1002/adfm.202403864

崔歡歡