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哈工大陳祖煌教授團隊在铪基鐵電薄膜領域取得新進(jìn)展 爲實現超快鐵電存儲提供依據

2024年04月22日 新聞網 浏覽次數:14

哈工大全媒體(梁英爽 王舒邈 周超 文/圖)近日,哈工大深圳校區材料科學(xué)與工程學(xué)院陳祖煌教授團隊在铪基鐵電薄膜領域取得重要進(jìn)展,研究成(chéng)果以《通過(guò)受主-施主共摻雜方法提高超薄铪基鐵電薄膜翻轉特性》(Enhance dpolarization switching characteristics of HfOultrathin films viaacceptor-donor co-doping)爲題發(fā)表在《自然通訊》(Nature communications)上。團隊創新性地將(jiāng)施主-受主共摻雜調控手段應用于铪基鐵電器件極化翻轉特性調控,爲解決铪基鐵電薄膜中存在的氧空位“雙刃劍”難題提供新方法,爲開(kāi)發(fā)新一代高性能(néng)鐵電存儲器提供重要實驗和理論基礎。

二氧化铪鐵電相是亞穩結構,作爲二氧化铪中最常見的缺陷類型,氧空位在穩定亞穩鐵電相方面(miàn)效果顯著。在高介電栅介質材料二氧化铪(HfO2)薄膜中發(fā)現的鐵電性爲解決鐵電存儲提供了新機遇。然而,氧空位也給器件性能(néng)帶來負面(miàn)影響。特别是氧空位對(duì)鐵電疇壁的釘紮效應,導緻二氧化铪鐵電極化的翻轉速度下降,使铪基鐵電存儲在讀寫速度上處于劣勢。解決氧空位的“雙刃劍效應”對(duì)提高二氧化铪鐵電的極化翻轉特性至關重要,是實現铪基鐵電兼具高極化和快讀寫性能(néng)的關鍵。

針對(duì)上述問題,陳祖煌教授團隊首次將(jiāng)受主(镧元素)-施主(钽元素)共摻雜方法應用于外延铪基鐵電薄膜的性能(néng)調控。該方法在有效穩定铪基鐵電極化相的同時(shí),減少了薄膜中的氧空位含量,極大提升了薄膜質量。通過(guò)該方法,研究人員獲得了同時(shí)具有高極化和快翻轉特性的铪基鐵電薄膜,翻轉時(shí)間低至亞納秒級别,可與傳統鈣钛礦鐵電氧化物材料相媲美。此外,高質量薄膜保證了超薄厚度下的鐵電性,研究團隊在低至3納米的共摻雜二氧化铪薄膜中仍具有穩定的鐵電性。同時(shí),團隊揭示了氧空位在極化翻轉過(guò)程中的負面(miàn)作用以及共摻雜如何降低極化翻轉能(néng)壘的微觀機制。團隊提出共摻雜策略,在铪基鐵電材料的缺陷調控,實現翻轉能(néng)壘降低、提高鐵電性能(néng)、提升翻轉速度等方面(miàn)具有重要意義,爲加快铪基鐵電薄膜在新型低功耗、快速和非易失存儲與邏輯器件中的實際應用提供有效指導。

哈工大深圳校區爲論文第一完成(chéng)單位。哈工大深圳校區博士生周超、西湖大學(xué)博士生馬麗洋、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所馮燕朋博士爲論文共同第一作者。哈工大深圳校區陳祖煌教授、西湖大學(xué)劉仕研究員爲論文通訊作者。台灣陽明交通大學(xué)郭昌洋教授、南方科技大學(xué)黃浩亮博士、德國(guó)馬普所張春富(Chun-Fu Chang)博士、印度科學(xué)學(xué)院蘇吉(Sujit Das)教授等參與相關研究工作。

該研究工作獲國(guó)家自然科學(xué)基金等項目支持。

共摻雜二氧化铪與镧(La)單摻雜二氧化铪翻轉特性表征

镧摻雜二氧化铪(La:HfO2)與镧-钽共摻雜二氧化铪(LT:HfO2)的極化翻轉路徑及翻轉能(néng)壘第一性原理計算


責任編輯:梁英爽

審核:宋玲 李守斌