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铁电薄膜，具有铁电性且厚度在数十纳米至数微米的薄膜材料。具有介电性、铁电开关效应、压电效应、热释电效应、电光效应、声光效应、光折射效应和非线性光学效应等一系列特性。可用于制作多功能器件、集成器件或机敏器件

2011年第一次了解萤石结构氧化铪（HfO2）基铁电体Hf0.5Zr0.5O2（HZO）以来，这种材料对于在非易失性存储器、铁电场效应晶体管等微电子领域表现出非常大的应用潜力。通过电场循环得以增加铁电性，而掺杂、氧分压和退火条件以及等离子体改性加工处理，都会对铁电性能产生较大影响。此外，HfO2基铁电体的一些未知的结构和化学问题，也在一定程度阻碍了材料的可控研发以及大规模制备。

离子束激活HfO2相变示意图

近日，在Science 杂志上韩国成均馆大学（SKKU）的Yunseok Kim、Young-Min Kim和美国橡树岭国家实验室（ORNL）Sergei V. Kalinin、韩国三星综合技术院（SAIT）Jinseong Heo等发表了一篇论文，证明了氦（He）离子轰击可以激活HfO2材料中的铁电性，并解释了其中的微观机理，包括He离子引起的摩尔体积变化、氧空位形成、晶相转变、以及空穴迁移率增长等。通过变化“离子束辐照密度”从而引入缺陷，并成功地将基于HfO2材料的铁电性能提升了200% ，为推动铁电存储器不断发展开辟了新途径。

首先，研究者使用聚焦离子束-氦离子显微镜对Hf0.5Zr0.5O2（HZO）薄膜进行轰击，He离子会被晶格捕获，导致摩尔体积增加，产生氧空位。通过调节氦离子的轰击数量，并利用共振压电响应力显微镜（R-PFM）技术测量HZO薄膜的局部改变。当氦离子剂量低于1016 ions/cm2时，R-PFM振幅几乎没有表现出任何变化；而当氦离子剂量高于1016 ions/cm2时，随着氦离子剂量的增加，R-PFM振幅明显增加。特别地，当氦离子剂量达到1017 ions/cm2时，R-PFM振幅增加了约两倍，铁电性显著增强。

氦离子轰击实验设计及压电响应力显微镜表征

而后，研究者基于一阶反转曲线（FORC）方法测量了不同He离子剂量下，HZO薄膜的回滞曲线。压电响应表明，当He离子剂量高于1016 ions/cm2时，极化强度和方向均显著增加。极化特性与Preisach模型具有较好的拟合性，不过在He离子剂量为5×1016~1017 ions/cm2时，表现出明显不同，矫顽电压分布更窄，说明了极化响应更强且均匀。

极化特性曲线

以上表征结果均表明，利用轻离子轰击HZO引入缺陷从而增强了铁电材料的极化特性。那么，引入缺陷增强铁电极化性能的原理又是什么呢？为了探究其微观变化，研究者对原始HZO薄膜（P-HZO）以及5×1015的He离子轰击后的HZO薄膜（L-HZO和H-HZO）进行了表征。结果发现，P-HZO和L-HZO薄膜呈现单斜相和正交相的混合状态，主要以单斜相为主。当He离子轰击达到一定剂量后，薄膜发生相转变，转化为具有铁电性能的正交相。且H-HZO薄膜中，平均晶粒尺寸略微增加（~2 nm），晶界在减少。

晶相与缺陷的结构分析

让人觉得有趣的是氦离子轰击引起的氧空位的形成以及结构无序等缺陷，正好是导致铁电正交相转变、从而提高铁电性能的重要原因。尽管在氦离子轰击下，铁电性能的出现可能由多种条件协同驱动，但缺陷浓度和膨胀系数的乘积是控制该材料铁电性的主要因素。

综上所述，本文通过利用轻离子束定量控制氧空位分布提高铁电性，揭示了缺陷密度对HfO2材料晶体结构的不同影响以及铁电性能的起源。，Yunseok Kim教授认为“这项研究，很有可能会加速基于铁电材料的高效半导体器件的实际应用”“而且，这种方法可以直接应用于半导体工艺，提高其在下一代电子设备中的适用性”。