我国科学家提出氮空位拓扑稳定调控方案，铁电存储器循环寿命突破100亿次
Miranda 西安电子科技大学郝跃院士团队联合香港城市大学、复旦大学，在纤锌矿铁电材料耐久性研究上取得进展。铁电存储器通过材料内部原子尺度的极化方向记录信息，以氮化铝钪为代表的纤锌矿氮化物铁电材料因结构有序、与芯片制造工艺兼容，被视为下一代非易失性存储器的候选。但此前器件在完全极化翻转条件下通常约一亿次循环后就会失效。
研究团队由韩根全、周久人教授带领，综合使用电输运分析、电子叠层衍射成像、电子能量损失谱、几何相位应变分析和第一性原理计算等方法，在原子尺度上追踪缺陷演化，将失效原因聚焦到氮空位。循环电场会驱动氮空位重新分布、局域团聚和长程迁移，进而形成两条失效路径：一是氮空位长程迁移促进贯穿薄膜厚度方向的漏电通道，诱发硬击穿；二是氮空位局域重构与极化相关晶格重取向耦合，使存储极化信号逐渐退化。
针对上述机制，团队提出“氮空位拓扑稳定”的缺陷调控概念，并设计了空间与能量协同的双重干预方案。空间上，构筑氮化铝钪/氮化铝超晶格结构，利用周期性插入的氮化铝层阻挡氮空位沿薄膜厚度方向长程迁移；能量上，引入动态恢复方法，促使已局域聚集的氮空位重新分布。测试显示，该方案制备的超晶格器件在保持完全极化翻转条件下，循环寿命超过100亿次，较此前纪录提升约两个数量级；经历10亿次循环后，存储信号衰减控制在3%以内。
周久人表示，此前优化寿命更多依赖更换材料配方或调整工艺参数，现在有了清晰的微观物理图像，可以更直接地设计调控方案，这一框架对同类纤锌矿铁电材料具有参考价值。相关论文已于9月11日发表在《Science》上，西安电子科技大学为第一完成单位，王瑞清、朱峰为第一作者，韩根全、周久人为通讯作者，香港城市大学和复旦大学为合作单位。
