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原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
鐵電纖鋅礦很容易與多個主流半導體平臺集成，具有徹底改變現代微電子學的潛力。然而，為了與互補金屬氧化物半導體(CMOS)電子器件的操作兼容性，反轉其偏振方向和解鎖電子和光學功能所需的電場需要大幅減少。
為了解決這一問題，卡內基梅隆大學Elizabeth C. Dickey等人使用掃描透射電子顯微鏡在原子尺度上觀察并量化了具有代表性的鐵電纖鋅礦(Al0.94B0.06N)的實時極化轉換。分析揭示了一種極化反轉模型，其中纖鋅礦基面上的褶皺鋁/氮化硼環逐漸變平并采用瞬態非極性幾何形狀。獨立的第一性原理模擬通過反極性相揭示了逆轉過程的細節和能量學。該模型和對局部機理的理解是這一新興材料類別中屬性工程工作的關鍵第一步。
硼和喚醒過程對結構的影響
作者展示了通過反應脈沖直流濺射在W電極上生長的(Al,B)N薄膜的dDPC-STEM圖像，觀察到(Al,B)N晶粒取向的微小變化，導致圖像中觀察到的低密度位錯。展示了沉積態(Al,B)N薄膜的計算出的每晶胞極化的矢量圖表示，并進行了總結比較留下與沉積薄膜相反的極性，測得的平均極化幅度比理想的 AlN結構模型小6.6%。從沉積的單極態開始的電場感應極化轉換高度依賴于頻率，，喚醒過程不會顯著改變塊狀材料結構。
圖 (Al,B)N的結構
圖 極化演變
原位切換觀察
通過在 STEM 圖像采集期間使用擴展光束曝光，可以從產生正樣本充電的光束-固體相互作用中出現的大橫向電場實現偏振重新定向。本工作主要數據集是在(Al,B)N上收集的原位域轉換視頻。用跨越大約 7 分鐘實驗的一組幀來總結原位數據。數據結果定量地指示與纖鋅礦基面中的鍵褶皺相關的啞鈴角，展示了四個圖表，這些圖表量化了區域I到IV的平均啞鈴角度。
圖 原位偏振切換
微動彈性帶
為了進一步了解開關路徑并確定實驗觀察到的瞬態，使用微動彈性帶方法進行了第一性原理計算，以確定AlN和Al15/16B1/16N中極化反轉的最小能量路徑。相干極化反轉表明純AlN通過非極性六角形(h)-BN類結構切換，而在 Al15/16B1/16N 中，在切換過程的中間觀察到一個平均非極性超晶胞。原位數據和第一性原理計算都獨立地表明，陰離子和陽離子亞晶格在開關路徑上產生了相當的畸變。模擬圖像與切換過程中不同階段的實驗STEM 圖像具有很好的相關性，證實了微動彈性帶模擬預測的非極性狀態。
圖 極化反轉路徑的微動彈性帶模擬
參考文獻：
SEBASTIAN CALDERON V, et al. Atomic-scale polarization switching in wurtzite ferroelectrics. Science, 2023, 380(6649): 1034-1038
DOI: 10.1126/science.adh7670
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh7670
