科研进展

近日，松山湖材料实验室大湾区显微科学与技术研究中心团队在铪基薄膜铁电变体的调控研究中取得重要进展。该团队在单晶外延Hf_0.5Zr_0.5O₂薄膜中成功稳定具有铁电性的新型单斜相，使材料呈现出卓越的抗铁电疲劳性能，为铪基薄膜中铁电性的稳定与增强开辟了新路径。相关研究成果于2025年10月3日在《自然?通讯》（Nature Communications）正式发表。

铪基铁电材料凭借其与 CMOS工艺高度兼容、在纳米尺度下仍能保持强铁电性等核心优势，被业界广泛视为下一代铁电信息存储材料的核心候选方向。然而，该类材料的应用推广长期面临两大关键瓶颈：一方面，HfO₂等萤石型铁电材料的铁电性主要来源于室温环境下的亚稳正交相（空间群 Pca2₁），而这一亚稳相极易向非极性稳定相转变，导致铁电性能衰减；另一方面，铪基材料在实际制备中常以多相和纳米晶形态存在，其内部高密度的界面与缺陷会进一步加剧正交相的失稳，严重制约了稳定、长寿命铪基铁电器件的研发与应用。

针对上述基础性科学难题，研究团队以异质结构对称性匹配原则为理论基础，构筑出稳定存在的新型单斜铁电相。他们通过脉冲激光沉积系统制备出具有单斜结构的Hf_0.5Zr_0.5O₂单晶薄膜（图1）。电循环测试结果显示，该薄膜的耐疲劳性能高达 10¹² 次，超过传统铪基薄膜水平（图2）。借助像差校正透射电镜多功能成像技术，明确该薄膜结构为富含反相畴界的非极性单斜相（空间群 P2₁/c），且证实反相畴界处的对称性失配与晶格应变是诱导极性变体稳定的关键机制（图3）。在此基础上，他们实现了反相畴以单胞尺度连续扩展，进而稳定出新型极性单斜相（空间群 Pc）（如图4）。第一性原理计算结果表明，该新型极性相的铁电翻转势垒仅为传统亚稳正交相的 20%-50%（图5），为材料实现低功耗铁电调控提供了结构基础。该项工作不仅为铪基材料中稳定、可控铁电性的实现提供了新思路，更从技术层面为低功耗、长寿命且与硅工艺兼容的铁电器件研发注入了新动力，对推动铁电信息存储、新型电子器件等领域的技术革新具有重要意义。

松山湖材料实验室大湾区显微科学与技术研究中心耿皖荣副研究员为该论文的第一作者，中国科学院金属研究所王宇佳研究员为共同第一作者。

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等多个项目的共同资助和支持。