南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院聶越峰教授課題組、吳迪教授課題組與美國(guó)加州大學(xué)爾灣分校的潘曉晴教授課題組等國(guó)際團(tuán)隊(duì)展開(kāi)密切合作，將鈣鈦礦氧化物鐵電/介電自支撐雙層結(jié)構(gòu)與硅基片進(jìn)行集成，獲得了高密度的鐵電拓?fù)浼{米疇（～200 Gbit/inch2），并實(shí)現(xiàn)其阻態(tài)在外電場(chǎng)下的可逆調(diào)控。高密度、可擦寫(xiě)鐵電拓?fù)浼{米疇與硅基片的成功集成展示了新奇氧化物極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在新型高密度非易失性存儲(chǔ)器中的廣闊應(yīng)用前景。相關(guān)成果以“High-density Switchable Skyrmion-like Polar Nanodomains Integrated on Silicon”為題發(fā)表在《Nature》期刊上（DOI: 10.1038/s41586-021-04338-w）。
近年來(lái)，人們已經(jīng)從理論和實(shí)驗(yàn)上報(bào)道了鈣鈦礦氧化物鐵電薄膜、超晶格等體系中存在諸多新奇的非平庸極性拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu)，包括通量閉合疇、渦旋、極性“泡泡”疇、極性斯格明子、半子等，并表現(xiàn)出奇異的物理特性（如導(dǎo)電性增強(qiáng)、負(fù)電容等），有望用于開(kāi)發(fā)新型鐵電晶體管及存儲(chǔ)器等器件。然而，盡管極性拓?fù)洚牼哂袧撛诘闹匾獞?yīng)用前景，但由于高質(zhì)量鈣鈦礦氧化物薄膜材料的制備與當(dāng)前成熟的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝（CMOS）缺乏兼容性，難以將各種極性拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu)應(yīng)用于新一代電子器件中。另外，極性拓?fù)洚牭男纬墒求w系中彈性能、靜電能和梯度能之間在微小差別內(nèi)相互競(jìng)爭(zhēng)平衡的結(jié)果，因此需要特殊的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是在氧化物單晶襯底上獲得，能否實(shí)現(xiàn)其與硅基片的集成仍是一個(gè)重要的科學(xué)問(wèn)題。
為解決鈣鈦礦氧化物與半導(dǎo)體材料的集成問(wèn)題，聶越峰教授課題組嘗試將氧化物鐵電薄膜制備成高質(zhì)量自支撐晶體膜，并將這些獨(dú)立的功能單元進(jìn)行組合及轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體基片上以實(shí)現(xiàn)功能的整合。在前期的工作中，該課題組通過(guò)發(fā)展氧化物分子束外延（Oxide MBE）技術(shù)，解決了氧化物薄膜與界面的單原子層精度原位監(jiān)控與制備的技術(shù)難題[Nat. Commun. 9.1, 2965 (2018)，Appl. Phys. Lett. 111, 011601 (2017)]，并成功實(shí)現(xiàn)了一系列高質(zhì)量、單胞精度可控的自支撐鈣鈦礦鐵電氧化物薄膜的制備，如BiFeO3 及PbTiO3 等體系[Nature 570, 87 (2019)、Adv. Mater. 34, 2105778(2022)]、[Adv. Mater. Interfaces 7, 1901604 (2020)]。在本工作中，該小組將自支撐PbTiO3/SrTiO3（PTO/STO）鐵電/介電薄膜轉(zhuǎn)移至硅基底上以進(jìn)行集成。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)探索，在特定厚度比例的自支撐雙層結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)彈性能、靜電能等之間的平衡，獲得了高密度極性拓?fù)洚牸捌渥钁B(tài)的調(diào)控。
通過(guò)與吳迪教授課題組及潘曉晴教授課題組合作，借助矢量壓電力顯微鏡及掃描透射電子顯微鏡在PTO/STO雙層膜中觀測(cè)到兩種類(lèi)型（中心發(fā)散型和中心會(huì)聚型）的高密度（～200 Gbit/inch2）極性納米疇結(jié)構(gòu)（圖1）。其中，中心發(fā)散型納米疇表現(xiàn)出具有類(lèi)似Néel型極性斯格明子的結(jié)構(gòu)，而中心會(huì)聚型納米疇則表現(xiàn)出僅具有面內(nèi)分量極化反轉(zhuǎn)的有趣結(jié)構(gòu)。同時(shí)，美國(guó)阿肯色大學(xué)Laurent Bellaiche教授及南京大學(xué)楊玉榮教授通過(guò)有效哈密頓量方法模擬證實(shí)了在PTO/STO雙層膜中可以穩(wěn)定存在上述兩種復(fù)雜的極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
此外，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)這兩種類(lèi)型的拓?fù)浼{米疇可以在外加電場(chǎng)下相互轉(zhuǎn)換，并伴隨著高低阻態(tài)之間的可逆變換（圖2）。利用此可逆阻態(tài)變化，通過(guò)電場(chǎng)改變極性納米疇的類(lèi)型即可實(shí)現(xiàn)電路的“開(kāi)”和“關(guān)”狀態(tài)，從而有望應(yīng)用于高密度、低能耗、非易失性鐵電存儲(chǔ)器中。相比于人們前期在鐵電氧化物超晶格中觀測(cè)到的多層鐵電斯格明子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此工作在鐵電/介電雙層結(jié)構(gòu)中觀測(cè)到的單層極性拓?fù)洚犇軌蛴行У乇苊舛鄬油負(fù)洚牻Y(jié)構(gòu)的層間相互影響，更容易通過(guò)外部電場(chǎng)調(diào)控每個(gè)獨(dú)立的納米疇結(jié)構(gòu)，從而有望實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能的讀寫(xiě)操作。
審稿專(zhuān)家之一評(píng)價(jià)“這篇文章的構(gòu)思以及高密度拓?fù)錁O性結(jié)構(gòu)與硅基片的成功集成展示了將極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用于新型存儲(chǔ)器件方面非常樂(lè)觀的前景。”高密度、可擦寫(xiě)極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠被成功集成在硅基片上，并且經(jīng)過(guò)光刻流程后仍能穩(wěn)定存在，初步展現(xiàn)了將豐富的氧化物極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝相結(jié)合以開(kāi)發(fā)新型低能耗、高性能電子器件的可能性。與此同時(shí)，需要注意的是，這離實(shí)際應(yīng)用還有遙遠(yuǎn)的距離，仍有一系列重要的科學(xué)問(wèn)題需要解決。首先，如何實(shí)現(xiàn)晶圓尺寸的大面積、高質(zhì)量自支撐氧化物薄膜的生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移還存在巨大的挑戰(zhàn)；其次，目前的讀寫(xiě)電壓還相對(duì)很高，還需要進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)以降低讀寫(xiě)電壓才能達(dá)到商用存儲(chǔ)器件的低能耗、非易失性讀寫(xiě)的要求；再次，極性拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu)能否制備成陣列結(jié)構(gòu)以及在頂、底電極間是否穩(wěn)定存在還需要系統(tǒng)探索。上述難題的解決以及嘗試將更多新奇的極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體基片進(jìn)行集成都將推動(dòng)氧化物極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)往新一代電子器件應(yīng)用方面更進(jìn)一步，值得開(kāi)展深入系統(tǒng)的探索。
南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院博士生韓露為該論文的第一作者，聶越峰教授、吳迪教授及加州大學(xué)爾灣分校潘曉晴教授為論文的共同通訊作者。南京大學(xué)陳延峰教授對(duì)本工作給予了重要指導(dǎo)。阿肯色大學(xué)Laurent Bellaiche教授及南京大學(xué)楊玉榮教授為本工作提供了重要的理論支持。該工作也得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃以及教育部“長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃”等項(xiàng)目的資助；此外，南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心以及江蘇省功能材料設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)該項(xiàng)研究工作也給予了重要支持。（來(lái)源：南京大學(xué)）
