ACS NANO：镁掺杂氧化锌中稳健可翻转极化及其耦合电学特性

2023-09-05 03:09

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铁电材料具有自发的电极化特性，其方向可通过外电场进行调控，材料的体积由于逆压电效应而改变。在铁电基集成电路和器件的应用中，铁电材料的可翻转极化特性至关重要，可实现信息存储和应用于克服玻尔兹曼极限的场效应晶体管。这证明了。在近期的研究中，亚稳的极性相被发现可通过应变、掺杂和缺陷化学在薄膜中稳定形成，甚至简单的传统半导体材料也可通过将不匹配的阳离子纳入其极性晶体结构中从而转变为铁电材料。镁掺杂氧化锌作为一种可与互补式金氧半导体（CMOS）流程兼容的材料体系，长期以来一直被认为可能具有铁电性，但相关证据，包括在纳米尺度上耦合的电学性质及其功能性研究迄今仍待证明。

近日，澳大利亚新南威尔士大学Jan Seidel教授课题组博士生章昊泽为第一作者，Jan Seidel教授和Pankaj Sharma博士共同通讯，Ayana博士生，Richard博士和张大为博士等共同作者，在国际著名学术期刊ACS NANO上在线发表了题为“Robust Switchable Polarization and Coupled Electronic Characteristics of Magnesium-Doped Zinc Oxide”的研究文章，该研究在纤锌矿结构的镁掺杂氧化锌薄膜中，单纳米晶体尺度上，首次发现可翻转极化现象（铁电性）以及与之耦合的电学特性。此外，随着镁在氧化性中掺杂比例的提升，其有效纵向压电系数增强九倍。该研究对于先进纳米电子学和存储应用迈出了重要一步。

该文向我们展示了在喷雾热解法制备的含镁掺杂氧化锌薄膜中，单个纳米晶体尺度上存在可靠的可翻转极化（铁电性）。通过低控制电压即可实现极化翻转，同时调制铁电/硅衬底异质结上的电子传输性能。薄膜的有效纵向压电系数可以通过控制掺杂浓度而进行调节和优化(高达九倍)。讨论了纳米级极化现象的内在性质，包括不同因素对机电性能的贡献。该研究为具有极性六方纤锌矿结构的金属氧化物中的可切换极化提供了重要见解，其CMOS兼容性为先进电子和存储器设备的开发奠定了基础。

图1.Mg_xZn_1-xO的制备方法及其表征

通过喷涂法在p型硅衬底上制备了镁掺杂氧化锌（Mg_xZn_1-xO，x=10％、20％和30％，简称MZO）薄膜。X射线衍射图显示了其极性六方纤锌矿晶体结构以及Mg掺杂导致的晶格畸变。通过球差校正扫描透射电子显微镜发现Mg_0.1Zn_0.9O晶粒尺寸在10-40 nm，且Zn/Mg和O原子排列在六方纤锌矿晶格中。在高分辨率能谱X射线元素图中显示了Zn、O和Mg在整个薄膜中的均匀分布。通过光致发光光谱仪进一步检查了薄膜的晶体质量，紫外发射峰随着Mg掺杂的增加向更高能量偏移,并且伴随光致发光减弱。

图2. 纳米结构的Mg_0.1Zn_0.9O薄膜的极性畴以及其耦合的电子输运行为

该研究通过高分辨率压电响应力显微镜（PFM），开尔文探针力显微镜（KPFM）以及导电原子力显微镜（c-AFM）阐明了纳米尺度下畴的微结构，表面电势变化以及纳米电子学测试。

通过将PFM相位图中浅色畴的畴壁轮廓叠加在电流图上（图2e），其晶粒边界相比其内部电导率较低。晶粒边界处的低电导性与向上弯曲的能带一致，因此在边界处发生电子耗尽（对于从霍尔测量中确定的n型氧化锌薄膜而言）。其次，电导性的空间分布与纳米晶粒的极性或者说是纳米晶粒的垂直极化方向密切相关。

图3. 迟滞回线和与极化耦合的电阻切换的动态电流-电压曲线

为了动态探测MZO的极化开关动力学和耦合的电子输运行为，本研究同时进行了压电响应和电流测试。压电响应的滞后回线与经典铁电体中观察到的回线一致，显示出两个稳定状态的存在。而光谱电子输运数据显示出双极性电阻切换导致的滞后以及正负电压非对称行为。这种非对称的输运行为起源于n型MZO与p型硅相互接触而形成的p-n异质结。

异质结电阻切换与极化反转相一致。电阻调制源于MZO的极化方向改变，导致多数载流子在薄膜/基底异质界面附近积累或耗尽，影响电子输运的势垒高度和宽度。因此，电阻的变化可以归因于界面的极化调制p-n异质结。此外，我们观察到了一种可重复的约为100倍的电阻切换,其电子输运方式与界面导电机制一致。

图4. 镁掺杂浓度对极化可切换性和电机械性能的影响

接着对x=0、10、20和30%的Mg_xZn_1-xO薄膜进行了压电响应测量。只有镁掺杂的薄膜显示出可切换的极化行为，且薄膜的有效剩余纵向压电响应（d₃₃）随镁掺杂而急剧增加。通过频率直方图总结了不同镁掺杂的d₃₃增加了9倍（6.5-53.4 pm/V）。纵向压电系数的大幅增加可归因于镁掺杂导致的纵向纤锌矿晶体结构的软化和势阱的变平,与图1b中(002)衍射峰向高角度偏移一致，这有助于极化反转。

图5. Mg_0.1Zn_0.9O/p-Si的大面积极化翻转和弛豫测试

作者在340×200 nm²的区域内，通过+5 V的直流偏压扫描，将最初朝上（黄色）的畴完全向下翻转（红棕色），而在反向偏压扫描后，铁电畴又恢复其初始状态（图5c）.因此，结合上文研究，证明了MZO的铁电性。该文进一步就翻转极化的时间相关性进行研究，发现极化向下作为偏好方向与薄膜/衬底p-n异质结的内建场方向一致,且极化弛豫的时间依赖性与标准铁电体接近。

图6. Mg_0.1Zn_0.9O可切换机电响应的微观机理

采集的一次谐波响应在低偏置电压（≤2.5 V）下占主导地位，这与标准铁电材料的行为一致；而在高偏置电压（>2.5 V）下，二谐波电致行为变为主导地位，其包括可能来自离子/氧空位迁移和电化学Vegard应变等外部效应的贡献。标准铁电材料中的极化开关动力学受成核和畴壁运动的影响与时间相关，因此，以不同的频率采集的PFM迟滞回线，随着电场的频率增加，矫顽电压逐渐增加，且符合标准铁电材料中所见的幂指数趋势。此外，在远低于给定频率下的极化翻转阈值的直流偏压窗口进行测试，由于缺乏极化翻转且电场辅助离子运动的时间不足从而导致无迟滞回线。然而，当频率减小至两个数量级时，出现了明显的双稳态迟滞回环，这可能源于的场辅助诱导极化与离子迁移。因此，MZO薄膜除其固有的铁电性外，较低频率和高偏置电压下的非本征效应也需考虑。