美国团队确认铪氧化物具有内禀反铁电性

9月25日，美国内布拉斯加大学林肯分校研究团队宣布，已通过结构表征、电学测试和理论计算确认铪氧化物具有内禀反铁电性。相关研究发表于《Science》，团队在受压缩应变稳定的单晶铪氧化物薄膜中观察到反平行极化子晶格、双滞回电学响应以及极化相界面，完成了对该材料反铁电结构和电学行为的直接验证。

研究采用脉冲激光沉积方法，在晶体衬底上制备超薄铪氧化物薄膜，通过衬底产生的压缩应变稳定其反极性晶体结构。实验显示，随着薄膜厚度降低，反铁电结构没有减弱，在厚度降至约0.6纳米时仍保持稳定；研究团队还确认该结构在最高850℃条件下仍可维持。

电学测试中，铪氧化物可在外加电场作用下由反极化状态转变为极化状态，并表现出反铁电材料典型的双滞回曲线。扫描探针显微技术用于验证极化状态切换，高分辨电子显微镜则直接观察到晶体内部反平行原子位移，理论计算结果与实验观测相吻合。

论文题为《Antiferroelectric hafnia down to the 2D limit》，研究对象为(111)取向外延铪氧化物薄膜。团队确认其反极性正交相符合反铁电材料的Kittel模型，并证明这一有序结构可以延伸至接近二维极限。

铪氧化物目前已广泛用于先进半导体器件，并具备与CMOS制造体系兼容的材料基础。此次研究验证的反铁电状态具有电场驱动的极化切换特征，可继续用于高密度电容器、非易失存储器和固态制冷等器件研究。当前成果仍处于材料和薄膜实验阶段，论文未公布商业化储能器件的能量密度、功率密度、循环寿命或量产时间表。