電場(chǎng)誘導(dǎo)的纖鋅礦鐵電體疇壁研究
近年來(lái)，纖鋅礦型氮化物半導(dǎo)體的鐵電性引起了廣泛關(guān)注，這類材料如ScAlN、BAlN、ScGaN和YAlN等，具有低介電常數(shù)、可擴(kuò)展至納米尺寸、可調(diào)的矯頑場(chǎng)和高剩余極化等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景，包括高頻諧振器、先進(jìn)存儲(chǔ)和計(jì)算架構(gòu)等。然而，要充分發(fā)揮這些材料的潛力，還需要對(duì)其關(guān)鍵特性如矯頑場(chǎng)、穩(wěn)定性和漏電等進(jìn)行深入研究。理解這些材料的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)于開發(fā)新型的領(lǐng)域壁電子學(xué)非常重要，因?yàn)轭I(lǐng)域壁的二維特性和獨(dú)特的化學(xué)環(huán)境為納米電子學(xué)應(yīng)用提供了新的可能性，但目前我們對(duì)這些領(lǐng)域壁的原子配置和電子結(jié)構(gòu)還不完全了解，這限制了它們?cè)趯?shí)際納米器件中的應(yīng)用。
在這里，美國(guó)密歇根大學(xué)安娜堡分校電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系Mi Zetian（米澤田）教授、Danhao Wang聯(lián)合Emmanouil Kioupakis解釋了在鐵電ScGaN中由電場(chǎng)誘導(dǎo)的領(lǐng)域壁的原子配置和電子特性。通過(guò)結(jié)合透射電子顯微鏡和理論計(jì)算，揭示了一種帶電的疇壁，具有彎曲的二維六角形相。密度泛函理論計(jì)算證實(shí)，這種領(lǐng)域壁結(jié)構(gòu)進(jìn)一步導(dǎo)致在禁帶中出現(xiàn)前所未見的中間帶態(tài)。定量分析揭示了一種普遍的電荷補(bǔ)償機(jī)制，穩(wěn)定了鐵電材料中的反極性領(lǐng)域壁，其中180°領(lǐng)域壁處的極化不連續(xù)性通過(guò)未結(jié)合的價(jià)電子來(lái)補(bǔ)償。此外，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這些領(lǐng)域壁的可重構(gòu)導(dǎo)電性，展示了它們?cè)诔笠?guī)模器件應(yīng)用中的潛力。相關(guān)成果以“Electric-field-induced domain walls in wurtzite ferroelectrics”為題發(fā)表在《Nature》上，第一作者為王丁，Danhao Wang, Mahlet Molla為共同一作。值得一提的是，王丁已于上個(gè)月回國(guó)入職北京大學(xué)物理系。
纖鋅礦鐵電體中的極性切換
ScGaN具有適中的帶隙，并與主流半導(dǎo)體兼容。通過(guò)分子束外延技術(shù)，能夠精確對(duì)準(zhǔn)晶格，確保鐵電性穩(wěn)定，并允許對(duì)界面及電場(chǎng)誘導(dǎo)的領(lǐng)域壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行原子級(jí)研究。高分辨率的高角環(huán)形暗場(chǎng)和集成差分相位對(duì)比(iDPC)成像技術(shù)被用于研究金屬和氮原子的排列及晶體取向。經(jīng)過(guò)電極極化后，可以清晰地定義不同區(qū)域的極化方向，如圖1b和1c所示。圖1d右側(cè)面板顯示了原子排列，其中Sc或Ga金屬(M)和氮(N)原子位于彎曲原子對(duì)的對(duì)立端。層疊順序決定了極性方向（圖1d）。研究表明，電場(chǎng)誘導(dǎo)的氮極性(N-polar)區(qū)域與未極化的金屬極性(M-polar)區(qū)域共存，圖1g顯示N-polar區(qū)域從過(guò)渡區(qū)延伸至上電極，而原生的ScGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)則完全為M-polar。這些結(jié)果明確證明了外延Sc-III氮化物的鐵電開關(guān)現(xiàn)象。此外，圖1d到1f顯示的結(jié)果表明，未開關(guān)層的存在促進(jìn)了平面領(lǐng)域壁的形成，但在實(shí)際應(yīng)用中，這一未開關(guān)層需要優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)器件的小型化。
圖1：SCGAN極性轉(zhuǎn)換的原子級(jí)證據(jù)
電荷中性 VDW
垂直疇壁(VDW)在鐵電材料中對(duì)極性切換非常重要，并且有助于形成能量有利的配置。圖2a展示了具有反向極化的領(lǐng)域通過(guò)急劇的極性過(guò)渡相互分隔，形成并排排列。閃鋅礦材料的獨(dú)特晶體對(duì)稱性使得極性可以橫向反轉(zhuǎn)，形成八重和四重環(huán)排列（圖2b）。通過(guò)高分辨率STEM圖像（圖2c–g），我們觀察到ScGaN中電場(chǎng)誘導(dǎo)的VDW，其在M極性和N極性區(qū)域之間有明顯的臺(tái)階（圖2c）。這些領(lǐng)域壁的八重/四重環(huán)和橫向晶格擴(kuò)展特征也在差分相位對(duì)比（dDPC）圖像中更加明顯（圖2g–i）。通過(guò)計(jì)算得出的極化矢量圖（圖2j）進(jìn)一步驗(yàn)證了領(lǐng)域壁上的并排極化配置，且電荷中性（圖2k）。這種電場(chǎng)誘導(dǎo)的VDW首次在閃鋅礦氮化物中被以原子分辨率展示（圖2l）。這些VDW被認(rèn)為是有效的輻射復(fù)合中心，并可用于制造橫向異質(zhì)結(jié)，為單個(gè)領(lǐng)域壁的納米電子器件提供基礎(chǔ)。
圖2：Scgan中電場(chǎng)誘導(dǎo)的VDW
帶電 HDW
HDW（水平領(lǐng)域壁）的形成比垂直領(lǐng)域壁更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)槠?80°極性不連續(xù)性帶來(lái)顯著的靜電能量（圖3a,b）。在外延氮化物薄膜中，HDW的形成通常需要引入外來(lái)原子（如硅或氧）來(lái)補(bǔ)償懸掛鍵并保持晶格對(duì)稱性。然而，對(duì)于鐵電氮化物，通過(guò)外電場(chǎng)即可形成HDW，無(wú)需引入外部元素。圖3c–g展示了在ScGaN中電場(chǎng)誘導(dǎo)的HDW的高分辨率STEM圖像，這些領(lǐng)域壁表現(xiàn)為明顯的金屬原子層間臺(tái)階和出平面晶格擴(kuò)展（圖3d）。HDW區(qū)域內(nèi)的金屬原子與氮原子對(duì)稱排列（圖3g），并通過(guò)極化矢量圖和電荷圖確認(rèn)了其帶電特性（圖3j,k）。通過(guò)定量比較電荷密度，作者發(fā)現(xiàn)懸掛鍵的電子與界面上的正電荷幾乎完全補(bǔ)償，從而穩(wěn)定了這些帶電HDW。這些結(jié)果表明，HDW是帶電的領(lǐng)域壁，并為新型器件提供了潛在應(yīng)用可能性。
圖3：Scgan中電場(chǎng)誘導(dǎo)的HDW
可重構(gòu)導(dǎo)電疇壁
通過(guò)極化矢量、電荷圖和DFT計(jì)算，HDW被認(rèn)為是潛在的導(dǎo)電通道。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，研究使用具有可控水平分量的傾斜領(lǐng)域壁，探討其電學(xué)特性。圖4a–c概念化了在電極邊緣形成具有不同水平分量的傾斜領(lǐng)域壁，通過(guò)改變施加的電壓有效地控制達(dá)到矯頑場(chǎng)的區(qū)域的傾斜角度。圖4d–g分別展示了不同極化條件下ScGaN的表面形貌、壓電響應(yīng)力顯微鏡（PFM）相位對(duì)比圖和電導(dǎo)圖。在切換區(qū)域和未切換區(qū)域之間，導(dǎo)電通道的出現(xiàn)十分明顯（圖4e,i）。當(dāng)極化電壓增加到28V時(shí)，領(lǐng)域壁的傾斜角度增大（圖4c），水平分量減小，導(dǎo)致與21V相比電導(dǎo)性降低（圖4f,j）。更重要的是，作者展示了施加大負(fù)偏壓不僅可以反轉(zhuǎn)極性，還能去除電極邊緣的導(dǎo)電通道（圖4g,k）。這些結(jié)果表明，傾斜領(lǐng)域壁的水平分量是電極邊緣導(dǎo)電性增強(qiáng)的主要原因。圖4e,i中電極極化區(qū)域?qū)Ρ榷鹊妮p微增加歸因于由于矯頑場(chǎng)波動(dòng)自發(fā)形成的傾斜領(lǐng)域壁，而當(dāng)極化電壓進(jìn)一步增大時(shí)，這種現(xiàn)象消失（圖4f,j）。
圖4：Scgan中的電場(chǎng)可控導(dǎo)電疇壁
小結(jié)
總之，本研究為ScGaN中電場(chǎng)誘導(dǎo)的疇壁提供了詳細(xì)的原子尺度見解，豐富了對(duì)纖鋅礦鐵電體微觀結(jié)構(gòu)和疇動(dòng)力學(xué)的理解。通過(guò)STEM觀察和DFT計(jì)算的結(jié)合，作者驗(yàn)證了這些疇壁的原子構(gòu)型和能量特性，標(biāo)志著在優(yōu)化纖鋅礦鐵電材料的應(yīng)用特性方面取得了重要進(jìn)展。新型的屈曲2D六邊形相位和大量懸空鍵的存在進(jìn)一步展示了可重構(gòu)導(dǎo)電疇壁的可能性。由于這些疇壁具備原子級(jí)厚度和易于通過(guò)外部電場(chǎng)調(diào)節(jié)的特性，它們?cè)谙乱淮{米級(jí)器件設(shè)計(jì)中具有重要潛力。此外，通用電荷補(bǔ)償機(jī)制大大增強(qiáng)了我們對(duì)纖鋅礦鐵電器件穩(wěn)定性的理解。本研究為纖鋅礦鐵電材料的設(shè)計(jì)、開發(fā)以及其在各種技術(shù)中的應(yīng)用提供了關(guān)鍵的見解。
來(lái)源：高分子科學(xué)前沿
聲明：僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，作者水平有限，如有不科學(xué)之處，請(qǐng)?jiān)谙路搅粞灾刚?/p>
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