材料学院马静课题组合作在外延萤石结构反铁电研究领域取得新进展
清华新闻网10月23日电 具有萤石结构的氧化物（如ZrO2、HfO2）因其独特的极化特性和良好的CMOS工艺兼容性，在电子材料领域受到广泛关注。它们除了具有稳定且无尺寸限制的铁电性外，反铁电性的研究也迅速发展。尤其是固溶体HfxZr1-xO2（HZO）反铁电材料，因其较低的能垒、更快的开关速度及更优的疲劳特性，有望应用于反铁电存储器、负电容晶体管及高能量密度储能器件中。萤石体系的反铁电性通常被认为来源于电场诱导的四方相（P4₂/nmc）与铁电正交相（Pca21）的可逆相变，近期有研究提出了其源于两个正交相（Pbca与Pca21）之间可逆相变的可能。由于HZO各相的晶格常数和能量极为接近，在多晶薄膜体系中难以准确区分，外延薄膜的高结晶度和单一取向有助于揭示其本征相结构特征和反铁电性能。然而，尽管萤石结构外延铁电薄膜的研究已取得显著进展，但在外延体系中稳定反铁电性仍具挑战性，限制了对其机理的理解及器件应用。
近日，清华大学材料学院马静课题组与中国科学院物理研究所/中国科学院大学、美国德克萨斯大学圣安东尼奥分校研究团队合作，在萤石结构反铁电外延薄膜结构与性能调控方面取得新进展。研究团队在LSAT（110）单晶衬底上外延生长ZrO2薄膜，通过在ZrO2层间插入超薄LSMO层，构建出ZrO2-LSMO叠层结构，实现了萤石结构氧化锆中反铁电性的稳定。X射线衍射与球差矫正扫描透射电子显微镜结果证实反铁电性来源于Pbca相，宏观铁电测试和微观压电力显微镜观测到反铁电Pbca相与铁电Pca21相之间可逆、非易失的转变。研究表明，超薄LSMO插层导致了不连续的异质界面，诱导ZrO2晶格内形成了高密度的刃型与螺型位错，诱发剪切应变并导致ZrO2层产生晶格β角晶格畸变。结合第一性原理计算，揭示了β角畸变通过促进P42/nmc→Pnma→Pbca相变路径稳定Pbca反铁电相的机理，并建立了ZrO2外延薄膜应变状态与相稳定性的关系图，为材料设计提供了理论指导。
该研究不仅首次在外延ZrO2体系中实现了室温下稳定的反铁电性，还揭示了剪切应变导致的晶格畸变在相稳定性与反铁电-铁电转变中的关键作用，为剪切应变工程调控萤石氧化物的铁电与反铁电性、抑制多晶萤石薄膜的唤醒作用等应用场景提供了重要的理论和实验依据与设计思路。
ZrO2-LSMO叠层结构中β角晶格畸变诱导的反铁电稳定性
研究成果以“ZrO2-LSMO叠层结构中β角畸变诱导的反铁电性”（β-angle distortion stabilized antiferroelectricity in engineered ZrO2-LSMO laminate structure）为题，于10月18日在线发表于《先进材料》（Advanced Materials）。
清华大学材料学院2023级博士生郭嘉晟、中国科学院大学副研究员陶蕾为论文共同第一作者，清华大学材料学院副教授马静、中国科学院物理研究所/中国科学院大学研究员杜世萱、中国科学院物理研究所副研究员张庆华、美国德克萨斯大学圣安东尼奥分校教授陈充林为论文共同通讯作者。研究得到国家自然科学基金和国家重点研发计划项目等的资助。
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