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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

铁电纤锌矿很容易与多个主流半导体平台集成，具有彻底改变现代微电子学的潜力。然而，为了与互补金属氧化物半导体(CMOS)电子器件的操作兼容性，反转其偏振方向和解锁电子和光学功能所需的电场需要大幅减少。

为了解决这一问题，卡内基梅隆大学Elizabeth C. Dickey等人使用扫描透射电子显微镜在原子尺度上观察并量化了具有代表性的铁电纤锌矿(Al_0.94B_0.06N)的实时极化转换。分析揭示了一种极化反转模型，其中纤锌矿基面上的褶皱铝/氮化硼环逐渐变平并采用瞬态非极性几何形状。独立的第一性原理模拟通过反极性相揭示了逆转过程的细节和能量学。该模型和对局部机理的理解是这一新兴材料类别中属性工程工作的关键第一步。

硼和唤醒过程对结构的影响

作者展示了通过反应脉冲直流溅射在W电极上生长的(Al,B)N薄膜的dDPC-STEM图像，观察到(Al,B)N晶粒取向的微小变化，导致图像中观察到的低密度位错。展示了沉积态(Al,B)N薄膜的计算出的每晶胞极化的矢量图表示，并进行了总结比较留下与沉积薄膜相反的极性，测得的平均极化幅度比理想的 AlN结构模型小6.6%。从沉积的单极态开始的电场感应极化转换高度依赖于频率，，唤醒过程不会显着改变块状材料结构。

图  (Al,B)N的结构

图  极化演变

原位切换观察

通过在 STEM 图像采集期间使用扩展光束曝光，可以从产生正样本充电的光束-固体相互作用中出现的大横向电场实现偏振重新定向。本工作主要数据集是在(Al,B)N上收集的原位域转换视频。用跨越大约 7 分钟实验的一组帧来总结原位数据。数据结果定量地指示与纤锌矿基面中的键褶皱相关的哑铃角，展示了四个图表，这些图表量化了区域I到IV的平均哑铃角度。

图  原位偏振切换

微动弹性带

为了进一步了解开关路径并确定实验观察到的瞬态，使用微动弹性带方法进行了第一性原理计算，以确定AlN和Al_15/16B_1/16N中极化反转的最小能量路径。相干极化反转表明纯AlN通过非极性六角形(h)-BN类结构切换，而在 Al_15/16B_1/16N 中，在切换过程的中间观察到一个平均非极性超晶胞。原位数据和第一性原理计算都独立地表明，阴离子和阳离子亚晶格在开关路径上产生了相当的畸变。模拟图像与切换过程中不同阶段的实验STEM 图像具有很好的相关性，证实了微动弹性带模拟预测的非极性状态。

图  极化反转路径的微动弹性带模拟

参考文献：

SEBASTIAN CALDERON V, et al. Atomic-scale polarization switching in wurtzite ferroelectrics. Science, 2023, 380(6649): 1034-1038

DOI: 10.1126/science.adh7670

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh7670