科研进展丨铪基铁电中异步亚晶格畸变的相变新机制

来源：松山湖材料实验室原文链接

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近日，松山湖材料实验室、中国科学院东莞材料所和西安电子科技大学多个研究机构组成的研究团队，在铪基超晶格薄膜结构相变机制研究中取得重要进展，相关研究成果于2026年3月31日在《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表。

基于二元HfO₂的铁电材料因与CMOS工艺兼容且具备纳米尺度的强铁电性而备受关注，但其铁电相（亚稳正交相）在常温常压下极不稳定，易转变为单斜或四方相，导致薄膜多为多晶多相结构，严重制约了器件的稳定性与性能。因此，阐明铪基薄膜中的复杂相变行为并揭示其相变机制，对实现铁电相的稳定设计至关重要。然而，现有研究多聚焦于相变过程中阳离子晶格的剪切行为，忽视了决定极化与否的关键阴离子（氧离子）在相变中的作用，导致正交相与单斜相、四方相等相变的结构机制仍存在诸多争议。特别是，目前相关研究分散于多晶薄膜、纳米晶等不同材料体系中，掺杂、界面及比表面积等体系差异使研究结论各不相同，缺乏对相变行为的统一理解。因此，系统揭示HfO₂基薄膜中复杂相变行为及其结构机制，成为稳定亚稳态铁电相、优化器件性能的关键科学问题。

本研究通过构筑简化的模型体系-铪基超晶格单晶薄膜，排除了传统多晶薄膜中复杂界面对相变过程的干扰，并利用像差校正透射电子显微镜开展原位电子束辐照实验，系统研究了铪基薄膜中的多种相变行为，在亚埃尺度逐步揭示了诱导相变的异步亚晶格畸变行为。值得指出的是，初始正交相的极化方向决定了相变发生的方向，即向单斜相还是四方相转变。其中，正交相与不同取向单斜相之间发生相变时，需要不同的激活条件，并产生不同的离子畸变位移行为。与上述相变过程中阳离子、阴离子择优异步畸变行为不同，正交相的极性与反极性变量间的相互转变则仅需氧离子亚晶格的位移畸变，即可诱导极化翻转。该工作系统阐明了铪基材料中结构相变的核心机制，解决了此前存在的诸多争议，为设计高性能铪基电子器件提供了关键结构信息。

松山湖材料实验室大湾区显微科学与技术研究中心/中国科学院东莞材料所耿皖荣副研究员为该论文的第一作者，西安电子科技大学硕士生王博锐（现为松山湖材料实验室联培学生）为共同第一作者。松山湖材料实验室/中国科学院东莞材料所马秀良研究员为该论文的通讯作者。

该研究得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、广东省量子科学战略计划、松山湖科学城显微科学与技术开放课题、松山湖材料实验室青年学者等多个项目的共同资助和支持。