客户成果丨新加坡国立大学《nature communications》：HfZrO₂/HfLaO₂多层膜中接近理论极化极限

新加坡国立大学材料科学与工程学院陈景升教授团队在铪基铁电薄膜领域取得最新进展，该研究成果为以“Approaching theoretical polarization limit in HfZrO2/HfLaO2 multilayers”为题发表在nature communications上。

HfO₂基铁电材料因其超薄薄膜中的强铁电性以及与硅基技术的良好兼容性，在非易失性存储器和铁电场效应晶体管等先进铁电电子器件领域展现出巨大潜力。然而，实现高剩余极化（Pᵣ）仍面临挑战，主要因为铁电正交相（o-phase）的亚稳性。传统方法通过控制氧空位浓度和设计界面层来提高o-phase比例，以及引入Zr、La等掺杂剂来增强Pᵣ，但这些方法仍难以接近理论预测的极化极限。本研究提出了一种多层策略，通过引入应变来稳定HfO₂基铁电薄膜中的o-phase，从而实现接近理论极限的高Pᵣ。

本研究采用脉冲激光沉积（PLD）技术在SrTiO₃（STO）（001）基底上外延生长了Hf₀.₅Zr₀.₅O₂（HZO）和Hf₀.₉La₀.₁O₂（HLO）多层薄膜，底电极层为La₀.₆₇Sr₀.₃₃MnO₃（LSMO）。通过精确控制每层厚度（约0.9 nm）并重复4次，构建了HZO/HLO多层结构。研究利用高分辨率X射线衍射（XRD）、扫描透射电子显微镜（STEM）以及密度泛函理论（DFT）计算等手段，系统分析了多层薄膜的晶体结构、应变分布以及铁电性能。特别地，通过PUND测量了薄膜的铁电滞后回线，评估了其剩余极化和耐久性。

图1 展示了HZO和HZO/HLO多层薄膜的结构示意图及其XRD表征结果。多层薄膜的XRD图谱显示了一个尖锐的o-phase特征峰，表明多层结构有效提高了o-phase的结晶度。与单层HZO薄膜相比，HZO/HLO多层薄膜的o-phase峰强度更高，半高宽更窄，表明其具有更高的晶体质量和更少的缺陷。此外，极图测量揭示了HZO/HLO薄膜的晶体学畴遵循底层STO基底的四重对称性，进一步证实了其正交或菱方对称性。

图2 通过高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）对HZO/HLO薄膜进行了原子级表征，并分析了其应变分布。STEM图像清晰显示了HZO和HLO层的层状生长模式以及它们与LSMO底电极层的高质量外延关系。原子级能量色散X射线（EDX）元素分布图揭示了La、Hf和Zr元素在结构中的混合分布，这归因于高温生长过程中的界面扩散。通过几何相位分析（GPA）测量了HZO/HLO异质结构中的面内和面外应变分布，发现HZO/HLO层内部存在显著的面内压缩应变，这源于HZO和HLO层之间的晶格失配竞争。这种压缩应变有助于稳定铁电o-phase。

图3 展示了HZO/HLO薄膜的铁电性能表征结果。通过PUND测量得到的典型铁电滞后回线显示，7 nm厚的HZO/HLO薄膜在室温下达到了约56 μC/cm²的高剩余极化（Pᵣ），这是迄今为止所有外延HfO₂基薄膜中报道的最高值。此外，该薄膜还表现出优异的耐久性，在室温下可承受高达3×10⁹次的循环测试而不发生击穿。与单层HZO薄膜相比，HZO/HLO多层薄膜的Pᵣ显著提高，且随着厚度的增加，Pᵣ逐渐降低，但仍优于相应厚度的单层HZO薄膜。温度依赖的P-E回路测量表明，HZO/HLO薄膜的Pᵣ在低温下保持相对稳定，进一步证实了其高极化主要源于内在铁电行为。

图4 通过DFT计算揭示了HZO中o-、m-和r₃m-相的形成能随面内晶格参数的变化关系，以及La掺杂对极化切换能量势垒的影响。计算结果表明，在LSMO缓冲层上，o-和m-相在能量上具有竞争力，而r₃m-相始终代表较高能量状态。在无氧空位的情况下，当面内晶格参数小于7.43 Å时，o-相是基态；当晶格参数超过7.43 Å时，m-相成为基态。引入La掺杂后，T-路径（一种非常规极化切换路径）的能量势垒显著降低，甚至低于N-路径（传统非交叉路径）的能量势垒。这表明La掺杂促进了T-路径的稳定化，从而实现了更高的极化值。随着La掺杂浓度的进一步增加，T-路径的能量势垒继续降低，进一步增强了极化切换的容易程度。

该工作中通过使用TuoTuo Technology 的紫外无掩模光刻机(TuoTuo Technology, UV Litho-ACA)在铁电薄膜表面光刻图案并形成了一系列电极阵列。

作者信息介绍：新加坡大学材料科学与工程学院博士后石澍、博士生苏瀚鑫、浙江大学博士生席昊龙、西北工业大学博士后Fatoye Sawyer为文章的共同第一作者，浙江大学田鹤教授、西北工业大学曹腾飞教授为论文的共同通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-69634-3