界面调控实现Hf0.5Zr0.5O2(100)外延薄膜的单轴面内铁电性突破

研究人员通过调控ABO3/HZO异质结界面结构，首次在Hf0.5Zr0.5O2(100)O薄膜中实现单轴面内铁电性（Pin），其矫顽场（EC）低至0.5 MV/cm且厚度可降至1nm。该研究揭示了"交错式"界面重构的稳定机制，为基于氧化铪的铁电器件设计开辟新途径。

　　

在非易失性存储器研发领域，氧化铪基铁电薄膜因其CMOS工艺兼容性和优异尺寸缩放特性备受关注。然而现有研究主要利用其面外极化特性，面内铁电性的实现长期面临挑战——多晶HZO薄膜的随机取向导致极化方向难以调控，而传统外延薄膜又受限于高矫顽场（通常2-10 MV/cm）。如何实现低功耗、可定向调控的面内铁电性，成为该领域亟待解决的关键科学问题。

中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心的研究团队通过创新性界面工程设计，在SrTiO₃(110)衬底上成功制备出(100)取向的单斜相HZO外延薄膜。研究发现，当薄膜直接生长在STO(110)衬底时，会形成独特的"交错式"原子重构界面，这种界面结构能有效降低表面能并匹配晶格对称性，从而稳定单轴面内铁电极化。相关成果以《Interface-controlled uniaxial in-plane ferroelectricity in Hf_0.5Zr_0.5O₂(100) epitaxial thin films》为题发表于《Nature Communications》。

研究采用脉冲激光沉积（PLD）制备异质结，通过X射线衍射（XRD）三维倒易空间映射和球差校正透射电镜（STEM）解析晶体结构，结合压电力显微镜（PFM）和密度泛函理论（DFT）计算揭示界面重构机制。特别设计了叉指电极结构测量面内铁电回线，并通过旋转PFM实验验证极化各向异性。

结构演化与取向调控

通过调节LSMO缓冲层厚度（t_LSMO），发现当t_LSMO≥5单位晶胞时形成(111)取向多畴结构，而直接生长在STO(110)上则获得(100)单畴。STEM显示后者界面存在独特的原子级交错排列，这种重构使表面能降至1.14 J/m²，与STO(110)的1.15 J/m²近乎匹配。

单轴面内铁电性验证

面内极化测量显示沿[001]_O轴的剩余极化达20.6 μC/cm²，而[010]_O轴方向仅4.8 μC/cm²。旋转PFM证实极化响应具有显著方向依赖性：当扫描轴与[001]_O平行时信号最强，垂直时几乎消失。

超低矫顽场机制

厚度为10nm时矫顽场仅0.53 MV/cm，比传统面外极化薄膜降低近10倍。DFT计算表明这种差异源于不同的翻转机制：面内极化通过快速畴壁传播实现，而面外极化受限于更高的成核势垒。

该研究不仅首次在氧化铪体系中实现可控面内铁电性，更建立了"界面重构-对称匹配-极化定向"的调控范式。所发现的超低矫顽场特性为开发低功耗存储器提供新思路，而单原子层厚度下的铁电性稳定则展现出在原子尺度电子器件中的应用潜力。这项工作为后摩尔时代多功能氧化物器件的设计开辟了全新路径。