利用电子相位衍射精确定义 Hf0.5Zr0.5O2 的结构与极化

为何这种微小材料重要

我们的手机、笔记本和数据中心都依赖于内存芯片和处理器，而这些器件正面临速度和能耗的极限。一类被称为铁电体的材料可以利用晶体内部微小的内建电位移来存储信息，有望实现更快、更低功耗的器件。本研究考察了其中最有前景的材料之一——一种常用于先进芯片制造的铪锆氧化物，并以前所未有的原子尺度细节揭示了其行为。

窥见超薄薄膜内部

研究人员检查了一层厚度仅约五纳米的 Hf0.5Zr0.5O2 薄膜——大约比纸张薄两万倍。研究中，他们没有将薄膜保持粘附在基底上，而是将其释放成薄膜膜片，以消除潜在支撑层带来的干扰效应。随后他们使用了一种名为多层电子相位衍射的先进电子成像方法，从数千个重叠的衍射图样中重建材料结构。该方法可达到约25皮米（万亿分之一米）的分辨率，能够在三维上清晰显示重原子与轻的氧原子，这是传统电子显微镜难以做到的。

分辨相互竞争的晶体结构

在如此精细的尺度下，薄膜并非具有单一均匀的晶格结构。相反，它分裂成只几纳米大小的小晶粒，每个晶粒可采纳几种紧密相关的结构。通过将实验图像与模拟结果比对，研究团队识别出以一种特定正交铁电相为主导，同时伴有反铁电和类单斜相，以及少量立方或四方相。在主要的铁电相中，某些氧原子相对于金属原子略有偏离中心，形成交替的极性层和无极性层。基于这些位移，作者直接测量了材料的内在极化，发现数值与理论预测一致，但高于大多数以往实验报道，后者很可能由于极性与无极性区域混合而被低估。

晶粒边缘处极化为何变弱

由于薄膜是多晶的，晶粒之间的边界变得至关重要。对跨越这些边界的微小原子位移进行映射显示，在靠近晶粒边缘的几个极性层中，电极化被强烈抑制；而在中性 180 度畴壁——极化仅翻转方向的区域——极化几乎不受影响。在边界附近，极性层中的氧原子朝更对称的位置弛豫，导致有效偶极矩缩小。使用电子能量损失光谱的额外测量显示，这些晶界具有高密度的氧空位（缺失的氧原子），这可能扰乱局部键结和电环境，有助于解释这些区域中极化的塌缩。

由缺陷维系的超锐利带电畴壁

最引人注目的发现之一是一种特殊的边界：180 度头对头带电畴壁，这在基于铪的氧化物中早有预测，但此前未被直接观测到。在这种构型中，两侧相反的极化相互指向，于界面处聚集束缚电荷。团队发现该畴壁被限制在约一个晶格常数的宽度——本质上是单个极性层内的一条一维线。在中心处，原子位移几乎消失且氧空位达到约20%，但两侧相邻的极性层仍然保持其完整的极化。重要的是，局部原子间距没有明显变化，表明该畴壁并非通过像许多传统铁电体那样的大尺度晶格畸变被稳定，而是通过空位分布和该材料在亚晶胞尺度上偶极子开关的非常规方式得以稳定。

对未来电子学的意义

通过在单个原子层面上确定极化、晶界和带电畴壁的行为，这项工作澄清了为什么铪锆氧化物能在与当今芯片技术直接兼容的超薄薄膜中维持强健的铁电性。研究表明，缺失的氧原子既会削弱晶粒边缘的极化，也能帮助稳定可极为锋利且易于切换的带电畴壁，这对高密度、低功耗的存储和逻辑器件是理想的特性。这些见解为通过工程化缺陷和晶粒结构来调节性能提供了路线图，使基于铪氧化物的铁电内存和晶体管更接近实用化与大规模应用。

引用: Gao, X., Liu, Z., Han, B. et al. Precise structure and polarization determination of Hf_0.5Zr_0.5O₂ with electron ptychography. Nat Commun 17, 2765 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69514-w

关键词: 铁电铪氧化物, Hf0.5Zr0.5O2, 电子相位衍射, 畴壁, 氧空位