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互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等信息技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度、訪問速度及操作次數(shù)提出了更高的要求。氧化鉿基鐵電存儲(chǔ)器具有低功耗、高速、高可靠性等優(yōu)勢，被認(rèn)為是下一代非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)的潛在解決方案。現(xiàn)在普遍研究的正交相（orthorhombic phase，簡稱“o相”）HfO2基鐵電材料由于自身高鐵電翻轉(zhuǎn)勢壘和“獨(dú)立翻轉(zhuǎn)”的偶極子翻轉(zhuǎn)模式，使基于該鐵電材料的器件具有高矯頑場，導(dǎo)致器件工作電壓與先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)不兼容、擦寫次數(shù)受限等問題。這一問題是基于o相HfO2基鐵電材料的本征特性，難以通過傳統(tǒng)的優(yōu)化工藝加以解決。因此，探尋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且具有低翻轉(zhuǎn)勢壘的HfO2基鐵電材料是亟待解決的難題。
中國科學(xué)院微電子研究所微電子器件與集成技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉明院士團(tuán)隊(duì)與物理研究所研究員杜世萱團(tuán)隊(duì)，發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定的鐵電三方相Hf(Zr)1+xO2材料結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)降低了HfO2基鐵電材料中鐵電偶極子的翻轉(zhuǎn)勢壘。研究通過基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Hf(Zr)1+xO2材料中，Hf(Zr)與氧的比例大于1.079:2時(shí)，三方相的形成能低于鐵電o相和單斜相（m相）的形成能。掃描透射電子顯微鏡（STEM）實(shí)驗(yàn)清晰顯現(xiàn)了過量Hf(Zr)原子嵌入在鐵電三方相晶格的晶體結(jié)構(gòu)，證實(shí)了理論計(jì)算的結(jié)果。嵌入的Hf(Zr)原子擴(kuò)展了晶格，增加了其面內(nèi)和面外應(yīng)力，起到了穩(wěn)定Hf(Zr)1+xO2材料結(jié)構(gòu)和降低其鐵電翻轉(zhuǎn)勢壘的作用。基于Hf(Zr)1+xO2薄膜的鐵電器件展示了超低矯頑場（~0.65MV/cm）、高剩余極化（Pr）值（22μC/cm2的）、小的飽和極化電場（1.25MV/cm）、大的擊穿電場（4.16MV/cm），并在飽和極化下實(shí)現(xiàn)了1012次循環(huán)的耐久性。這一成果為低功耗、低成本、長壽命的存儲(chǔ)器芯片提供了有效的解決方案。 近期，相關(guān)研究成果發(fā)表在《科學(xué)》（Science）上。研究工作得到科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院的支持。中國科學(xué)院大學(xué)的科研人員參與研究。
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