近日，哈工大深圳校区材料科学与工程学院陈祖煌教授团队在铪基铁电薄膜领域取得重要进展，研究成果以《通过受主-施主共掺杂方法提高超薄铪基铁电薄膜翻转特性》（Enhance dpolarization switching characteristics of HfO2 ultrathin films viaacceptor-donor co-doping）为题发表在《自然通讯》（Nature communications）上。团队创新性地将施主-受主共掺杂调控手段应用于铪基铁电器件极化翻转特性调控，为解决铪基铁电薄膜中存在的氧空位“双刃剑”难题提供新方法，为开发新一代高性能铁电存储器提供重要实验和理论基础。
二氧化铪铁电相是亚稳结构，作为二氧化铪中最常见的缺陷类型，氧空位在稳定亚稳铁电相方面效果显著。在高介电栅介质材料二氧化铪（HfO2）薄膜中发现的铁电性为解决铁电存储提供了新机遇。然而，氧空位也给器件性能带来负面影响。特别是氧空位对铁电畴壁的钉扎效应，导致二氧化铪铁电极化的翻转速度下降，使铪基铁电存储在读写速度上处于劣势。解决氧空位的“双刃剑效应”对提高二氧化铪铁电的极化翻转特性至关重要，是实现铪基铁电兼具高极化和快读写性能的关键。
针对上述问题，陈祖煌教授团队首次将受主（镧元素）-施主（钽元素）共掺杂方法应用于外延铪基铁电薄膜的性能调控。该方法在有效稳定铪基铁电极化相的同时，减少了薄膜中的氧空位含量，极大提升了薄膜质量。通过该方法，研究人员获得了同时具有高极化和快翻转特性的铪基铁电薄膜，翻转时间低至亚纳秒级别，可与传统钙钛矿铁电氧化物材料相媲美。此外，高质量薄膜保证了超薄厚度下的铁电性，研究团队在低至3纳米的共掺杂二氧化铪薄膜中仍具有稳定的铁电性。同时，团队揭示了氧空位在极化翻转过程中的负面作用以及共掺杂如何降低极化翻转能垒的微观机制。团队提出共掺杂策略，在铪基铁电材料的缺陷调控，实现翻转能垒降低、提高铁电性能、提升翻转速度等方面具有重要意义，为加快铪基铁电薄膜在新型低功耗、快速和非易失存储与逻辑器件中的实际应用提供有效指导。
哈工大深圳校区为论文第一完成单位。哈工大深圳校区博士生周超、西湖大学博士生马丽洋、中国科学院金属研究所冯燕朋博士为论文共同第一作者。哈工大深圳校区教授陈祖煌、西湖大学研究员刘仕为论文通讯作者。台湾阳明交通大学教授郭昌洋、南方科技大学黄浩亮博士、德国马普所张春富（Chun-Fu Chang）博士、印度科学学院苏吉教授（Sujit Das）等参与相关研究工作。
该研究工作获国家自然科学基金等项目支持。
共掺杂二氧化铪与镧（La）单掺杂二氧化铪翻转特性表征
镧掺杂二氧化铪（La:HfO2）与镧-钽共掺杂二氧化铪（LT:HfO2）的极化翻转路径及翻转能垒第一性原理计算
文图 | 梁英爽 王舒邈 周超
编辑 | 吴锐婵
审核 | 张惠屏 李晓慧
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