鐵電材料是一種具有自發(fā)極化并且這種極化可以在外電場作用下發(fā)生改變的材料。因此，超薄鐵電體對于高密度電子器件，特別是場效應(yīng)晶體管和非易失性存儲器有著重大意義。然而，在普遍存在的鈣鈦礦氧化物中，鐵電性能通常被限制在幾nm的尺度上，鐵電性能會隨著鐵電材料的變薄而不斷被削弱。同時根據(jù)第一性原理計算預(yù)測，由于去極化的不完全屏蔽，鈣鈦礦鐵電體的臨界厚度為6個晶胞。鈣鈦礦中的原子級鐵電常常無法證明極化轉(zhuǎn)換，這對于應(yīng)用是至關(guān)重要的。此外， 在硅上合成鐵電鈣鈦礦薄膜的嘗試受到化學(xué)不相容和外延生長所需的高溫的阻礙。自從2011年發(fā)現(xiàn)HfO2基薄膜的鐵電以來，螢石結(jié)構(gòu)氧化物（螢石）引起了相當(dāng)大的興趣，原因在于它們在硅上能夠低溫合成和保形三維結(jié)構(gòu)。因此，在互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）兼容性和厚度縮放方面，克服了許多限制其鈣鈦礦鐵電材料的問題。

近日，美國加州大學(xué)伯克利分校Suraj S. Cheema教授和Sayeef Salahuddin教授（通訊作者）報道了一種通過在硅上通過低溫原子層沉積（ALD）生長的超薄（1 nm）Hf0.8Zr0.2O2（HZO）中的鐵電材料，二次諧波的產(chǎn)生和先進(jìn)的掃描探針技術(shù)分別確定了反轉(zhuǎn)對稱破壞和可切換電極化的存在。

超薄HZO中不僅鐵電穩(wěn)定，而且螢石結(jié)構(gòu)對稱性的光譜和衍射特征也表明超薄狀態(tài)下極性畸變增強(qiáng)。這種螢石結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的尺寸效應(yīng)不會發(fā)生。隨著材料厚度降至1nm，自發(fā)、可轉(zhuǎn)換的極化現(xiàn)象能夠持續(xù)出現(xiàn)。在經(jīng)典鈣鈦礦中，減小尺寸的表面能驅(qū)動的尺寸效應(yīng)比低對稱鐵電相（四邊形）更傾向于高對稱順電相（立方）。相反，在螢石中，非中心對稱相是相對于穩(wěn)定中心對稱相具有較高的對稱性。因此，表面能促進(jìn)螢石鐵電體在二維極限中的反轉(zhuǎn)對稱性破壞。由于這種尺寸引起的非中心對稱性，即“反向”尺寸效應(yīng)，使用HZO能夠被用于探索鐵電材料的超薄極限。

圖1.螢石結(jié)構(gòu)鐵電材料的尺寸效應(yīng)。（a）在一種在螢石結(jié)構(gòu)鐵電體中，在正交相中存在的極性畸變可以表示為相對于其周圍陽離子四面體的中心陰離子位移（青色）；在非極性四方相中，氧原子（藍(lán)色）位于四面體的多面體中心。在螢石結(jié)構(gòu)中，非中心對稱O相相對于整體穩(wěn)定中心對稱M相具有較高的對稱性；（b）1.8 nm厚的HZO的橫截面ADF圖像；（c）詳細(xì)描述沉積在Si/SiO2上的超薄鐵電HZO層。

圖2.超薄HZO中的極化切換。（a）通過掃描探針成像研究的Si/SiO2/HZO異質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖；（b）鐵電斜方結(jié)構(gòu)中的HZO晶胞示意圖；（c）HZO薄膜的微波頻率SCM光譜；（d）相對比的PFM圖像；（e）HZO薄膜的相位和振幅光譜回路。

圖3.超薄HZO中“反向”尺寸效應(yīng)的出現(xiàn)。（a）厚度與O K邊緣的XAS的關(guān)系；（b）厚度與O K邊緣的XLD的關(guān)系；（c）厚度軌道極化與Zr M2邊緣的XLD的關(guān)系；（d）軌道極化趨勢表明超薄增強(qiáng)了四面體畸變；（e）同步加速器GI-XRD證實了高取向超薄膜的出現(xiàn)；（f）顯示厚度的GI-XRD；（g）厚度與晶格間距和2c/(a+b)比率的關(guān)系。

總之，在超薄層狀物中增強(qiáng)鐵電性的方法為設(shè)計極化驅(qū)動存儲器和鐵電晶體管提供了新的思路。這項工作將尋找鐵電的基本極限轉(zhuǎn)移到更簡單的過渡金屬氧化物體系，即從鈣鈦礦衍生的復(fù)合氧化物轉(zhuǎn)移到螢石結(jié)構(gòu)的氧化物，從而穩(wěn)定了超薄狀態(tài)下的鐵電性能。