С наступлением Технологии искусственного интеллекта Быстрое развитие привело к экспоненциальному росту масштабов хранения и обработки данных, что… Технология энергонезависимой памяти Были выдвинуты более высокие требования. Пьезоэлектрические материалы, обладающие свойствами несменяемой памяти и способностью к управлению спонтанной поляризацией с помощью электрического поля, рассматриваются как идеальный выбор для создания более эффективных вычислительных архитектур с низким энергопотреблением. Однако традиционные оксидные пьезоэлектрики плохо совместимы с доминирующими полупроводниковыми платформами, тогда как новые… Ферроэлектрик из нитрида с структурой цинковой обманки (Как, например, AlScN) благодаря своей естественной совместимости с кремниевыми технологиями, высокой остаточной поляризации, возможности масштабирования толщины и высокой температуре Кюри эти материалы открывают новые перспективы для решения указанной проблемы. В процессе реверса поляризации в таких материалах происходит совместное смещение атомов металла и азота, что существенно отличается от механизма смещения одиночных атомов в оксидных сегнетоэлектриках; это предоставляет уникальные возможности для разработки принципиально новых типов запоминающих устройств.

Ключевая проблема современных исследований заключается в механизме реверса поляризации в цинково‑сульфидных нитридных сегнетоэлектриках: их дватомный совместный смещение приводит к сложной доменной динамике и более высоким энергетическим барьерам, что проявляется в двух основных недостатках: во‑первых, чрезмерно высокое коэрцитивное поле (Ec) увеличивает энергозатраты при эксплуатации устройств; во‑вторых, выраженный «эффект пробуждения» существенно снижает стабильность приборов. Корень этих проблем — в том, что традиционные модели не способны адекватно описать свойства цинково‑сульфидных материалов. Механизм движения стенок кристаллов — Согласно имеющимся исследованиям, энергетический барьер для поперечного движения доменных стенок (перпендикулярно оси [0001]) на 98% ниже, чем для продольного движения; однако эта динамическая особенность пока недостаточно изучена и не нашла практического применения. Кроме того, ограничения макроскопических электрических измерений и методов атомно‑масштабных наблюдений по‑прежнему создают технические препятствия для оперативного фиксирования процесса перемещения доменных стенок, что обусловливает существование пробелов в понимании микроскопических механизмов реверса поляризации.

В целях углублённого изучения механизмов доменной динамики в цинково‑сульфидных сегнетоэлектриках исследовательская группа, состоящая из Института оптики и точной механики и физики Китайской академии наук в Чанчуне и других учреждений, использовала технологии компании «Цзэюй»… Трансмиссионная электронная микроскопия in situ Было проведено углублённое исследование, Они провели in situ‑наблюдения с помощью электронной микроскопии и Вычисления на основе первых принципов Впервые раскрыт механизм, согласно которому в цинкоблекитных нитридных сегнетоэлектриках (Al_0.75Sc_0.25N) движение поперечных доменных стенок играет ключевую роль в инверсии поляризации; установлено, что энергетический барьер для такого движения на 98% ниже, чем для продольного, и на этой основе разработаны однородные тонкие плёнки размером 6 дюймов с низким коэрцитивным полем (снижение на 25%) и отсутствием эффекта пробуждения, что открывает новый подход к проектированию сегнетоэлектрических устройств, совместимых с технологией CMOS. Соответствующие результаты опубликованы в журнале «Advanced Materials» под названием «Движение доменных стенок в вюртцитных сегнетоэлектриках, управляемое при низком поле».

Данная работа сосредоточена на решении двух ключевых проблем, с которыми сталкиваются ферроэлектрики на основе нитридов в структуре wurtzит — представленные образцами Al_0.75Sc_0.25N — при их применении в памяти: высокое значение коэрцитивного поля (E_c) и выраженный эффект пробуждения. Команда исследователей, сочетая многомасштабные эксперименты с теоретическим моделированием, впервые продемонстрировала, что в таких материалах движение поперечных доменных стенок (перпендикулярно оси [0001]) играет решающую роль в процессе реверса поляризации. Динамическое наблюдение в режиме in situ с использованием просвечивающего электронного микроскопа показало, что поперечное распространение доменной стенки начинается на 9 секунд раньше, чем продольное, а первопринципные расчёты позволили количественно оценить её энергетическое преимущество: барьер для поперечного движения (0,00188 эВ на формулу) составляет всего 2% от соответствующего барьера для продольного движения (0,092 эВ на формулу). Это открытие прямо ставит под сомнение традиционную модель Колмогорова–Аврами–Ишибаши (KAI), которая ранее считалась применимой к обычным ферроэлектрикам.

Основываясь на прорывном понимании доменной динамики, исследовательская группа разработала инновационный метод оптимизации движения доменных стенок путём регулирования полярности начального зародышевого образования. Благодаря точному контролю мощности напыления (400–500 Вт) и температуры (500–600 °C) удалось успешно сформировать сквозную по всей толщине плёнки структуру смешанной полярности, что позволило увеличить плотность поперечно движущихся доменных стенок на 390%. На атомном уровне iDPC-STEM Экспериментальные данные подтверждают, что в данной структуре на границах доменов реализуется механизм искажения–разрыва–перестройки четырёхкоординационных связей, а не перестройка шестикоординационных связей, необходимая для продольного движения, что существенно снижает энергетические затраты на реверс поляризации. Макроскопические электрические измерения показывают, что оптимизированная тонкая пленка при сохранении высокой остаточной поляризации (146 мкКл/см²) демонстрирует снижение коэрцитивного поля на 25% (ΔE_c = 1,3 МВ/см), а также полное устранение эффекта пробуждения.

В ходе исследования также была сформирована целостная цепочка регулирования — от микромеханизмов до макроскопических свойств. Диэлектрический спектр Анализ Рэлея Было показано, что коэффициент необратимого перемещения доменных стенок (α) в гибридных полярных пленках увеличился с 0,06 до 0,45, что тесно коррелирует с подавлением эффекта пробуждения. С помощью анализа морфологии методом мокрого травления, измерений ротационной кривой Ширакова (FWHM = 0,64°) и тестов на ток утечки были исключены такие помехи, как защёлкивание дефектов, что подтвердило, что повышение характеристик обусловлено фундаментальным управлением доменной динамикой. В результате удалось осуществить получение однородных пленок размером до 6 дюймов на уровне подложки; технологические параметры, такие как скорость осаждения 95 нм/ч, демонстрируют высокую перспективу для промышленного применения.

Данное исследование не только предложило универсальный принцип проектирования для ферроэлектриков в структуре цинкоблекита — «движение доменных стенок под действием низкого электрического поля», — но, что ещё важнее, открыло путь оптимизации свойств, отличный от традиционных оксидных ферроэлектриков. Благодаря глубокому синтезу фундаментальных научных открытий (нового механизма доменной динамики) и инженерных приложений (производство на уровне пластин) были заложены теоретические и практические основы для разработки высокостабильных, энергоэффективных CMOS‑интегрированных ферроэлектрических устройств.

Компания «ZEPTOOLS», являясь ведущим китайским производителем высокоточных приборов отечественного производства, является одним из ведущих поставщиков решений для in situ‑характеризации с помощью электронных микроскопов и представила… ПикоФемто Серия решений для in situ‑трансмиссионной электронной микроскопии постепенно обеспечивала техническую поддержку ключевых научных достижений отечественных и зарубежных пользователей. На нижнем рисунке представлено оборудование Zeyou Technology, использовавшееся в рамках данного исследования: