铁电Al0.7 Sc0.3 N薄膜中纳米比特的激活场驱动畴壁动力学研究

　　针对AlScN铁电薄膜高矫顽电场制约存储应用的难题，研究人员通过PFM系统研究了50-150 nm薄膜的畴壁动力学，发现厚度减小可提升剩余极化(Pr )并降低激活场（50 nm达14.3 MV/cm），实现了2.1 T/in2 信息密度，为超高密度存储器件设计提供关键理论支撑。

　　

在追求绿色电子器件的时代，铅基铁电材料如PZT虽具有优异的剩余极化(80-105 μC/cm²
)，却因毒性面临淘汰。与此同时，新型无铅材料AlScN薄膜展现出惊人的165-350 μC/cm²
极化强度，但其高达传统材料10倍的矫顽电场(14.3 MV/cm@50nm)成为实用化瓶颈。更棘手的是，畴壁运动机制与厚度关系这一核心问题尚未阐明，而这直接决定了存储器件的响应速度和存储密度。

韩国国立研究基金会支持的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表重要成果。通过脉冲激光沉积(PLD)技术在Pt/MgO基底上制备50-150 nm外延AlScN薄膜，结合压电力显微镜(PFM)和X射线衍射(XRD)分析，首次揭示了厚度对畴壁动力学的调控规律。研究发现：薄膜越薄，剩余极化越强（归因于c轴晶格膨胀），而激活场却反常升高（50nm比150nm高15%）。当施加高电压形成纳米比特时，畴壁迁移速度呈非线性增长，最终实现2.1 T/in²
的超高信息密度。

关键技术包括：1) RF溅射制备(111)取向Pt/MgO外延电极；2) PLD沉积Al_0.7
Sc_0.3
N薄膜；3) PFM原位观测畴壁运动；4) Merz定律计算激活场。

【实验结果精要】

1. 外延特性：XRD证实薄膜保持纤锌矿结构，c轴取向度随厚度增加而增强，50nm薄膜出现异常晶格应变。
2. 电学性能：泄漏电流符合欧姆传导机制，150nm薄膜击穿场强达5 MV/cm。
3. 畴壁动力学：PFM显示纳米比特写入速度与电压呈指数关系，50nm薄膜需要更高激活能(14.3 MV/cm)。
4. 存储密度：通过优化畴壁运动路径，实现2.1 T/in²
   的存储密度，相当于现行NAND闪存的20倍。

这项研究不仅建立了AlScN薄膜厚度-性能定量关系模型，更揭示了应变工程调控畴壁运动的新机制。特别值得注意的是，较薄薄膜虽然需要更高操作电压，但其更高的极化强度和更快的畴壁响应速度，使其在超高密度存储领域展现出独特优势。研究还发现Pt电极诱导的拉应力能有效降低泄漏电流，这为未来设计三端存储器提供了重要启示。该成果为开发CMOS兼容、环境友好的下一代存储器奠定了理论基础，有望推动铁电存储技术突破现有物理极限。