氧化铪基薄膜因其優異的亞納米級鐵電性能及與矽基半導體工藝的良好兼容性正逐漸成為下一代信息存儲器件的關鍵功能材料。目前研究人員已經對其正交鐵電相（Pca2₁）開展了大量的理論與實驗研究，以提升和優化其鐵電穩定性與耐久性。由于氧化铪基菱方相能量較高難以被穩定，相關研究較少，同時菱方鐵電相與正交鐵電相之間的聯系也尚未明确。

近日，beat365馬靜課題組與中國科學院物理所/中國科學院大學、美國德克薩斯大學聖安東尼奧分校研究團隊合作，在外延氧化铪基鐵電薄膜研究領域取得進展。研究團隊通過對分析菱方氧化铪雙四面體晶體場鍵長畸變，并結合第一性原理計算，提出在合适面外拉伸應力、表面能與具有4d²和3d⁵電子的Zr、Mn元素共摻雜作用下，菱方R3鐵電相将取代菱方R3m與正交Pca2₁鐵電相成為基态從而被穩定。實驗結果顯示，在（001）取向SrTiO₃基片上以LSMO為底電極外延生長5at.% Mn摻雜Hf_0.5Zr_0.5O₂（HZO）薄膜的相結構為R3相，薄膜表現出良好的鐵電特性，剩餘極化Pr達到47 µC/cm²，并且具有良好的保持性和循環穩定性。此外，通過改變Mn摻雜濃度和薄膜厚度，可實現Pca2₁、R3、R3m三種不同鐵電相之間的調控；并總結了氧化铪基鐵電自高對稱相向低對稱相演變的兩條路徑，建立了三種鐵電相的對稱性繼承與相轉化關系。這項研究不僅為氧化铪體系的鐵電性提供了新的見解，還有望為提升鐵電器件性能開辟新的途徑。

（A）5%Mn摻雜HZO外延薄膜掃描透射電子顯微鏡原子相及其對應的（B）快速傅裡葉變化（FFT）衍射圖。（C）R3相FFT模拟衍射圖。（D，E，F）5%Mn摻雜HZO外延薄膜鐵電剩餘極化，保持性以及壓電力響應顯微鏡局部翻轉結果。（G）對稱性從高至低的氧化铪基鐵電相路徑演化-能量圖。（H）Mn摻雜含量以及面外應力對菱方相基态的選擇計算。（I）三種鐵電相的極軸變化以及在面外方向的極化投影大小

相關研究成果以“具有穩定鐵電性的R3菱方相錳摻雜氧化铪锆外延薄膜”（Rhombohedral R3 Phase of Mn-Doped Hf_0.5Zr_0.5O₂ Epitaxial Films with Robust Ferroelectricity）為題，于10月9日發表于《先進材料》（Advanced Materials）。

beat3652023級博士生郭嘉晟、中國科學院大學副研究員陶蕾為論文共同第一作者，beat365副教授馬靜、美國德克薩斯大學聖安東尼奧分校教授陳充林、中國科學院物理所/中國科學院大學研究員杜世萱為論文共同通訊作者。研究得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金委基礎科學中心項目等的資助。

論文鍊接：

https://doi.org/10.1002/adma.202406038