撰稿|由课题组供稿
南京大学现代工程与应用科学学院杨玉荣、吴迪教授课题组在HfO2基外延薄膜中发现，体块材料中作用微弱的挠曲电效应对于纳米厚度的掺杂HfO2铁电薄膜的结构和性能，特别是疲劳可靠性，起着重要的作用，为优化HfO2基铁电薄膜的性能提供了新思路。相关成果以“Flexoelectricity-stabilized ferroelectric phase with enhanced reliability in ultrathin La:HfO2 films”为题发表在《Applied Physics Reviews》期刊上（DOI:10.1063/5.0144958）。
近年来，HfO2基铁电薄膜的发现引起了广泛的关注。与传统铁电材料相比，HfO2具有良好的Si兼容性，并且没有明显的尺寸效应，在纳米尺度下也能保持铁电性，有利于开发高密度器件。这些特性使得HfO2基铁电材料成为新一代铁电存储器最具应用潜力的候选材料之一。然而，经过了十年的研究，HfO2基铁电薄膜的结构控制和使驭可靠性，特别是疲劳问题仍没有解决，严重制约了该材料的实际应用。
该课题组发现在(111)取向的5%La:HfO2（HLO）外延薄膜中，由沿薄膜表面法线方向的应变梯度引起的挠曲电效应在其铁电正交相中引发了菱方畸变。第一性原理计算表明，当施加模拟挠曲电场时，含有菱方畸变的正交相比纯的正交相更稳定。电子显微结果表明HLO薄膜的铁电疲劳来源于亚稳态铁电正交相向热力学稳定的顺电单斜相的转变。菱方畸变稳定了亚稳态铁电正交相，抑制其向单斜相转变，因而大大提高了薄膜的疲劳可靠性，在109次翻转后仍保持有90%以上的剩余极化强度。
图：（a）不同厚度HLO薄膜的XRD谱，表明面外晶格常数随厚度增加而增加；（b）HLO薄膜的由挠曲电电场引起的imprint随厚度的变化，10纳米厚HZO薄膜和剥离后的15纳米厚HLO薄膜的imprint数据也显示在图上；（c）15纳米厚HLO薄膜在7.5 V脉冲下不同翻转次数对应的电滞回线。
南京大学现代工程与应用科学学院博士生矫佩杰为该论文的第一作者，吴迪教授与杨玉荣副教授为论文的共同通讯作者。南京大学聂越峰教授、邓昱副教授和阿肯色大学Laurent Bellaiche教授为本工作提供了重要的支持。该工作得到了国家自然科学基金和科技部国家重点基础研究发展计划等项目的资助。南京大学固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室对该项研究工作给予了重要支持。
文章链接：
https://pubs.aip.org/aip/apr/article/10/3/031417/2910541
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