近日，西安电子科技大学集成电路学部郝跃院士团队在国际顶尖学术期刊Science发表题为《Endurance beyond 10 billion cycles in wurtzite ferroelectrics by confining nitrogen vacancies》的研究论文。西安电子科技大学为第一完成单位，集成电路学部2025级博士研究生王瑞清，杭州研究院研究员朱峰为第一作者；韩根全教授、周久人教授为通讯作者；香港城市大学和复旦大学为合作单位。
该研究并未停留在对铁电材料失效现象的观察层面，而是深入原子尺度，系统绘制了循环电场作用下纤锌矿铁电材料内部缺陷的动态演化全图景，首次将困扰该领域多年的耐久性瓶颈转化为一个可描述、可计算、可调控的缺陷拓扑问题。基于这一微观物理机制的揭示，团队进一步提出了“氮空位拓扑稳定”的缺陷调控概念，并通过空间与能量双重限域策略对缺陷演化路径进行了有效干预。
氮空位限域稳定缺陷拓扑实现纤锌矿铁电超高耐久性机理图
存储器是信息技术的基石。在人工智能与高性能计算快速发展的今天，存储器不仅需要断电后不丢失数据，还必须具备高速读写、低功耗、长寿命以及能被越做越小的能力。传统存储技术在这些方面各有短板，难以全面兼顾。铁电存储器因其独特的存储方式受到关注——它利用材料中原子尺度的极化方向来记录信息，好比用无数个微小的“指南针”来区分0和1。
氮空位再分布和晶界连接渗流促使体相纤锌矿铁电AlScN击穿
近年来，以氮化铝钪为代表的纤锌矿氮化物铁电材料因结构高度有序、与现有芯片制造工艺兼容，被认为是下一代存储的有力竞争者。然而，这类材料在反复读写中寿命不够长的问题始终未能解决。在完全极化翻转条件下，已有器件通常在约一亿次循环后失效，远低于本征物理潜力。此前，研究人员已经观察到漏电增加、氧元素渗入、铁电性能退化等失效现象，但这些现象背后的微观物理机制——循环电场作用下，材料内部的缺陷究竟如何运动、如何演化、如何最终导致器件失效——始终缺乏清晰的图景。
AlScN/AlN超晶格中氮空位限域实现百亿循环耐久性
追踪原子尺度上“谁在动、怎么动”
韩根全、周久人教授团队综合运用电输运分析、电子叠层衍射成像、电子能量损失谱、几何相位应变分析及第一性原理计算等多种手段，在原子尺度上对循环电场作用下材料内部缺陷的动态演化进行了系统追踪。最终将目光聚焦于一种名为“氮空位”的微观缺陷——即晶格中本该有氮原子的位置出现了空缺。
如果把铁电材料比作一片整齐的“玉米地”，氮空位就是地里某些本该长玉米的位置出现的“缺株”。团队发现，真正值得关注的不是这些“缺株”本身的数量，而是在电场反复作用下它们的空间分布会如何变化。追踪结果显示，循环电场持续驱动氮空位发生重新分布、局域团聚和长程迁移——好比“缺株”位置会移动、会聚集成片，甚至串成一条贯穿整块地的“通道”。
AlScN/AlN超晶格中AlN中间层的空间限域抑制介电击穿
这一演化过程直接导致了两条相互关联的失效路径。一方面，氮空位的长程渗流迁移促进了贯穿薄膜厚度方向的漏电通道形成，导致漏电流持续增加并最终诱发硬击穿，器件彻底失效。另一方面，氮空位的局域重构与极化相关的晶格重取向相互耦合，好比“缺株”周围的土壤结构被扰动，导致材料存储极化信号的能力逐渐退化。“过去大家知道它会失效，也看到了一些表面现象，但谁也没能在原子尺度上把‘谁在动、怎么动、动了以后怎么导致失效’这件事从头到尾讲清楚”，王瑞清说。“我们现在可以画出一张完整的‘缺陷迁徙地图’了”，韩根全进一步打了个比方：“这就好比一个社区的安全，不仅取决于社区里有多少隐患点，更关键的是这些隐患点在特定条件下会不会连成一条隐患链。我们追踪的正是这些隐患点‘连成链’的过程。”
这项研究的核心突破在于，它首次将长期存在的耐久性瓶颈，从经验性的寿命指标转化为一个基于原子尺度缺陷拓扑演化的物理问题。这意味着，宏观的器件寿命不再只是一个通过测试才能知道的数字，而是可以被追溯到原子层面、可以被描述和计算的演化过程。
给缺陷演化划“围栏”、做“疏通”
找到了失效的微观物理机制之后，研究团队没有止步于“解释问题”，而是进一步提出了“氮空位拓扑稳定”的缺陷调控概念，并据此设计了一套空间与能量协同作用的双重干预方案。其核心思路并非消除所有缺陷，而是主动调控缺陷在循环过程中的迁移和重构行为，抑制其空间构型聚和长程贯通的方向演化。
恢复驱动的能量限域抑制氮空位聚集稳定铁电极化
在空间维度，团队构筑了氮化铝钪/氮化铝铁电超晶格结构，利用周期性插入的氮化铝层作为物理“隔板”。这些“隔板”的作用是阻挡氮空位沿薄膜厚度方向的长程渗流迁移，好比在缺陷的“迁徙”路线上设置一道道“围栏”，阻断贯穿性漏电通道的形成条件。在能量维度，团队引入了动态恢复方法，在循环过程中促使已发生局域聚集的氮空位重新分布，好比在局部出现“拥堵”时施加一股“回拉”力量将其打散，降低缺陷持续团聚带来的空间不均匀性。“空间限域给缺陷的迁移划定了范围，能量调控则定期消除已经出现的局部聚集，两者配合，缺陷就没那么容易形成破坏性的构型了”，周久人解释说。
两种手段协同作用，共同维持了氮空位空间构型在长期电应力下的稳定性。在这一策略指导下，团队制备的超晶格器件在保持完全极化翻转标准的条件下，实现了超过100亿次的循环耐久性，与此前纪录相比提升约两个数量级，且器件在经历10亿次循环后存储信号衰减控制在3%以内，展现愈发趋于稳定的缺陷拓扑分布。这些实验结果验证了基于微观机制所提出的调控策略的有效性。
从“看到现象”到“画地图走路”
该研究在方法论层面的意义超越了具体性能数字。它建立了一套完整的研究范式：从原子尺度的缺陷演化追踪，到跨尺度的失效物理关联，再到基于物理机制的缺陷调控设计。这一范式将铁电材料可靠性研究从主要依赖降低初始缺陷浓度的材料筛选思路，拓展为主动稳定缺陷演化过程的调控思路，使研究人员从“凭感觉试”走向“看着地图走路”。
“过去我们要优化寿命，更多是换材料配方、调工艺参数，有点像黑箱操作”，周久人总结道，“现在我们有了清晰的微观物理图像，知道缺陷怎么演化、为什么失效，就可以有针对性地去设计调控方案。这个框架不仅适用于氮化铝钪这一种材料，对同类纤锌矿铁电材料都有参考价值”。
该研究连接了原子尺度的缺陷行为与器件尺度的可靠性表现，为高可靠、高密度纤锌矿铁电存储器的开发提供了新的物理基础，也为面向下一代非易失存储的铁电材料设计开辟了一条可遵循的调控路径。
