在国家自然科学基金等项目的资助下，松山湖材料实验室大湾区显微科学与技术研究中心团队在铪基薄膜铁电变体的调控研究中取得重要进展。该团队在单晶外延Hf0.5Zr0.5O2薄膜中成功稳定具有铁电性的新型单斜相，使材料呈现出卓越的抗铁电疲劳性能，为铪基薄膜中铁电性的稳定与增强开辟了新路径。相关成果10月3日发表于《自然-通讯》。
单斜Hf0.5Zr0.5O2单晶薄膜的结构特性。研究团队供图，下同
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铪基铁电材料因与CMOS工艺高度兼容、纳米尺度下强铁电性等优势，被视为下一代铁电信息存储材料核心候选。但该材料应用推广面临两大难题：一是HfO2等萤石型铁电材料铁电性源于室温亚稳正交相（空间群Pca21），易向非极性稳定相转变致性能衰减；二是铪基材料实际制备常为多相和纳米晶形态，内部高密度界面与缺陷加剧正交相失稳，制约稳定、长寿命铪基铁电器件研发。
单斜Hf0.5Zr0.5O2薄膜的铁电性及其优异的耐疲劳性能。
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研究团队以异质结构对称性匹配原则为理论基础，构筑稳定新型单斜铁电相。通过脉冲激光沉积系统制备出单斜结构Hf0.5Zr0.5O2单晶薄膜，电循环测试显示其耐疲劳性能达 1012次，远超传统铪基薄膜。借助像差校正透射电镜多功能成像技术，确定薄膜结构为富含反相畴界的非极性单斜相（空间群P21/c），并证实反相畴界处对称性失配与晶格应变是诱导极性变体稳定的关键。
反相畴以单胞尺度连续扩展，进而稳定出新型极性单斜相。
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在此基础上，团队实现反相畴以单胞尺度连续扩展，稳定出新型极性单斜相（空间群Pc）。第一性原理计算表明，该新型极性相铁电翻转势垒仅为传统亚稳正交相的20%-50%，为材料低功耗铁电调控提供结构基础。该工作为铪基材料稳定、可控铁电性实现提供新思路，从技术层面为低功耗、长寿命且与硅工艺兼容的铁电器件研发带来新动力，对推动铁电信息存储、新型电子器件等领域技术革新意义重大。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-63907-z
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