单相外延生长铁电氮化物钙钛矿CeTaN3的合成与性能研究：下一代信息存储材料的新突破

为解决铁电材料与半导体集成难题，研究人员通过脉冲激光沉积(PLD)技术成功合成单晶CeTaN3薄膜，证实其具有20 μC/cm2的室温剩余极化和可切换铁电畴，为新型非易失性存储器和场效应晶体管开发奠定基础。

　　

在信息存储和功能器件领域，铁电材料与半导体的集成一直是科学家们追逐的圣杯。传统铁电氧化物虽性能优异，却面临与硅基半导体工艺兼容性差、氧空位导致漏电流大等问题。更棘手的是，高质量单晶氮化物钙钛矿的合成长期受限，其极化动力学机制如同蒙着面纱的舞者，令人难以捉摸。南方科技大学高压实验室的研究团队另辟蹊径，将目光投向无氧的铁电氮化物体系，在《SCIENCE ADVANCES》发表的研究中，他们通过创新性的高压合成与等离子体辅助脉冲激光沉积技术，首次实现了单相外延铁电CeTaN₃薄膜在氧化物和半导体衬底上的可控生长。

研究团队采用PLD结合快速热退火(RTP)技术制备薄膜，通过X射线衍射(XRD)、像差校正扫描透射电镜(STEM)和压电力显微镜(PFM)等多尺度表征手段，辅以密度泛函理论(DFT)计算，系统解析了材料的结构与性能关系。

生长高质量单相CeTaN₃薄膜

通过3GPa高压制备化学计量比靶材，在氮等离子体辅助下实现80nm单晶薄膜外延生长。同步辐射XRD显示(001)取向的清晰劳厄振荡，STEM证实界面原子级锐利，电子能量损失谱(EELS)显示氮分布均匀且氧含量极低。

结构表征确认极性对称性

原子分辨STEM图像直接观测到Ta离子在TaN₆八面体中心的12.1pm位移，二次谐波产生(SHG)测试证实其属于P4mm极性空间群。PFM相图显示微米级铁电畴可被±8V电压可逆翻转。

半导体衬底普适性生长

在Si、SiC和GaN/Al₂O₃衬底上均获得(011)取向薄膜，STEM显示Ta-N-Ta键角达158°。Pt/CeTaN₃/p-Si电容器测试获得17.4 μC/cm²剩余极化和484 kV/cm矫顽场，开关速度达10^-4秒。

这项研究不仅填补了氮化物钙钛矿单晶薄膜合成的空白，更揭示了氮八面体倾斜对铁电性能的调控机制。通过能带工程和应变调控，CeTaN₃的1.27eV带隙可覆盖红外-可见光吸收，为光电器件开发提供新思路。其与第三代半导体（如SiC、GaN）的异质集成能力，或将催生新一代低功耗存储器和神经形态计算器件。特别值得注意的是，该工作建立的氧化物/氮化物界面工程方法论，为探索更多ABN₃型功能材料开辟了道路，正如文中所言："这标志着氮化物钙钛矿作为与氧化物、卤化物同等重要的材料体系正式登上舞台"。