HfO2基柔性外延铁电薄膜亚稳相-稳相转变的应力调控机理研究

HfO2-based flexible ferroelectric thin films are new and the most promising film materials for the flexible ferroelectric memory industry. The HfO2-based ferroelectric is metastable phase and the instability of the ferroelectric phase in the metastable state is an important bottleneck restricting the wide application of HfO2-based flexible ferroelectric thin films. Therefore, it is essential to promote ferroelectric metastable phase to stable phase transition to improve the ferroelectric properties of flexible HfO2-based thin films. The researches show that stress is the core factor for ferroelectric metastable phase-stable transition of flexible hafnium-based thin films. However, the micro-mechanism of stress induced ferroelectric phase transition of flexible hafnium-based thin films is still unclear, which brings difficulties to the preparation and performance control of flexible hafnium-based thin films. Based on this, this project will adopt the method of in-situ stress loading and ab initio molecular dynamics to study the microcosmic mechanism of flexible hafnium oxide base film and its correlation with ferroelectric phase transition, electric domain structure and ferroelectric properties, so as to obtain the optimal stress regulation range. Through the research of this project, the stress regulation range of metastable phase-stable phase transition，the stress regulation mechanism and regulation method of the occurrence of phase transition will be obtained, providing guidance for the development of HfO2-based flexible ferroelectric thin films with excellent performance.

柔性氧化铪基铁电薄膜是一种全新的、极具有前景的柔性铁电存储器用薄膜材料。氧化铪基铁电体是亚稳相，处于亚稳态的铁电相不稳定是制约柔性氧化铪基铁电薄膜广泛应用的重要瓶颈。因此促使铁电亚稳相-稳相转变是柔性氧化铪基薄膜提高铁电性能的根本。研究表明，应力是柔性氧化铪基薄膜产生铁电亚稳相-稳相转变的核心因素，然而柔性氧化铪基薄膜的应力诱导铁电相变的微观机理尚不清晰，这给柔性氧化铪基铁电薄膜的制备和性能调控带来了困难。基于此，本项目将采用原位应力加载和第一性分子动力学相结合的方法，研究柔性氧化铪基薄膜的微观机制及其与铁电相变、电畴结构、铁电性能的关联，得到最佳应力调控范围。通过本项目的研究，得到亚稳相-稳相转变的应力/应变调控范围和发生相变的应力调控机理和调控方法，为研制性能优异的氧化铪基柔性铁电薄膜提供指导。

在柔性电子领域当中，柔性存储器作为电子器件的“芯脏”，因起到存储代码、数据和动/静态信息的作用，而处于核心地位。非挥发性柔性铁电薄膜存储器(NvFeRAM)具有非易失性、高写入速度、低功耗、低电压工作以及优异的抗辐射性能，被学术界和产业界公认为最具潜力的下一代存储器之一。作为存储介质，由于柔性氧化铪基薄膜无毒、无害、绿色环保、成分简单、热稳定性良好，低温均匀生长薄膜的工艺容易控制，已成为铁电领域的研究热点。然而，处于亚稳态的铁电相不稳定是制约柔性氧化铪基铁电薄膜广泛应用的重要瓶颈。研究发现，应力是促进铁电亚稳相-稳相转变的关键因素，因此阐明应力诱导的微观机理是获得性能优异的柔性氧化铪基铁电薄膜的根本，对提高氧化铪基柔性电子器件的工业化生产具有现实意义。.本项目采用实验加计算相结合的方法，展开了原位应力加载对氧化铪基柔性薄膜铁电亚稳相-稳相转变的应力调控机理研究。研究结果表明：(1)当原位应力加载弯曲半径从12.5 mm逐步到5 mm的过程中，薄膜在小电场下铁电性能具有先增后减的趋势，在弯曲半径为10 mm时极化值达到最大，说明合适的原位应力促进铁电亚稳相-稳相转变，且铁电稳相不会发生逆转变。(2)PFM测试发现温度升高会破坏铁电性能，铁电畴不能翻转，但是弯曲应力的加载会使得铁电相恢复，铁电畴翻转明显，这进一步说明合适的应力促进铁电亚稳相-稳相转变。(3)模拟了HfO2基铁电薄膜在不同应变下的相变，HfO2受到单轴均匀应变时，拉应变有利于铁电相的生成。在一定弯曲应变条件下，氧化铪薄膜中单斜相的生成减少，铁电相生成增多。其次，当给薄膜施加一个恒定外电场时，弯曲应变梯度相同时，负应变梯度下的面内极化开始翻转所需临界电场比正应变梯度的临界电场高，且弯曲应变梯度越大，所需的翻转电场越大。本项目对柔性氧化铪基铁电薄膜铁电相转变和实现铁电性能的应力调控具有重要意义，从而加速基于氧化铪基材料的柔性电子器件快速发展。