在取向化Aurivillius氧化物薄膜中由模板诱导的垂直铁电性

为什么微小的电开关很重要

从智能手机到数据中心，现代电子设备依赖能够在断电时也保存信息的存储元件。铁电材料——其内部电极化可像开关一样翻转的固体——是实现更快、更高效、甚至类脑计算硬件的有力候选者。然而，许多知名的铁电体要么与标准硅技术不兼容，要么仅在薄膜平面内发生侧向翻转，而大多数实际器件需要极化沿薄膜厚度方向上下指向。这项研究展示了如何通过在层状氧化物中精心排列原子，迫使通常侧向极化的材料产生强烈的垂直极化，从而为稳健且兼容硅的存储元件开辟新途径。

具有内在限制的层状晶体

这项工作聚焦于Aurivillius氧化物——一种由交替带电层构成的层状材料家族。由于这些化合物可承受大量开关循环、在高温下仍能保持稳定并具有良好的氧离子迁移性，它们对存储应用很有吸引力。然而，在大多数已知的Aurivillius铁电体中，包括基准化合物氧化铋钨（Bi2WO6），电极化自然位于层的平面内。这种侧向取向与主流器件设计不相容——例如通过薄膜厚度驱动电荷来读取和写入信息的铁电晶体管和隧道结。挑战在于如何在不牺牲稳定性的情况下，促使这些层状氧化物支持强烈的垂直（即垂直于平面）极化。

在旧框架内构建新相

研究人员通过在脉冲激光沉积过程中将少量氧化钨（WO3）纳入Bi2WO6基体来应对这一挑战。高分辨率电子显微镜显示，Bi2WO6在钛酸锶衬底上形成高质量的晶体框架，同时纳米尺度的WO3区域在其中相干生长。关键在于，这些WO3口袋并未采取任何已知的块体氧化钨晶型。相反，它们被周围的Bi2WO6“模板化”，共享其取向和晶格排列但缺少其层状结构。X射线衍射与倒易空间映射表明，Bi2WO6宿主施加了特定的应变模式——面内受压、面外受拉——有助于锁定这种不寻常的、在平衡条件下不稳定的WO3结构，该结构单独存在时通常不会出现。

氧原子的位移如何产生可切换极性

在显微图像的指引下，团队为嵌入的WO3构建了结构模型并用量子力学计算进行了检验。在该模型中，每个钨原子位于由五个氧原子形成的略微扭曲金字塔的底部，而不是许多氧化物中更对称的六配位氧八面体。每个钨上方有一个氧，另外四个氧形成共享的基面。由于所有这些金字塔朝同一方向倾斜，它们微小的偶极矩相加产生指向薄膜厚度方向的大净极化。计算表明，该相的面外极化与一些已知强铁电体相当，且翻转涉及与氧原子在不同位置之间迁移有关的适中能垒。来自该模型的衍射图样模拟与实验数据相匹配，支持了这样一种图景：一种由氧位移驱动、仅在Bi2WO6框架内稳定的铁电WO3相。

将原子位移转化为实用器件

为检验这一工程化结构是否真正提供可用的垂直铁电性，作者利用压电响应力显微镜和宏观电学测量对薄膜进行了探测。纯Bi2WO6薄膜仅显示平面内翻转，证实了早期工作。相比之下，WO3/Bi2WO6复合薄膜表现出明显、可逆的面外畴结构，具有180度相位对比、在多次循环中的稳健迟滞回线，并在纳米尺度上至少工作到250°C，在较大器件中可达350°C。测得的剩余极化约为10微库仑每平方厘米，主要来自WO3域，足以满足实际应用。当将这些薄膜集成到以单层MoS2为沟道的原型铁电场效应晶体管中时，器件表现出超过一百万的开/关电流比。作为两端口忆阻元件，它们在广泛温度范围内展现出高低电阻态之间可靠的切换。

这对未来电子学意味着什么

通过使用一种氧化物作为结构模板来稳定另一种具有强极化的新相，这项研究克服了层状铁电体的一个关键几何限制：它们倾向于仅侧向极化。被模板化的WO3/Bi2WO6薄膜结合了与CMOS兼容的工艺、稳健的垂直极化和高温稳定性，这些都是下一代非易失性存储器和类脑电路所期望的特性。更广泛地说，这项工作为“设计型铁电体”提供了蓝图，通过在复杂氧化物内部对原子几何和应变进行细致控制，以产生新的极性相并调控其可切换电矩的方向与强度。

引用: Zhou, S., Zhong, S., Zhang, S. et al. Templated perpendicular ferroelectricity in textured Aurivillius oxide-based thin films. Nat Commun 17, 3890 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70676-w

关键词: 铁电薄膜, Aurivillius氧化物, 氧化钨, 非易失性存储器, 氧化物电子学