硬核！南大成果再登《自然》正刊

来源:南京大学

近日，南京大学现代工程与应用科学学院聂越峰教授课题组、吴迪教授课题组与美国加州大学尔湾分校的潘晓晴教授课题组等国际团队展开密切合作，将钙钛矿氧化物铁电/介电自支撑双层结构与硅基片进行集成，获得了高密度的铁电拓扑纳米畴（～200 Gbit/inch2），并实现其阻态在外电场下的可逆调控。高密度、可擦写铁电拓扑纳米畴与硅基片的成功集成展示了新奇氧化物极性拓扑结构在新型高密度非易失性存储器中的广阔应用前景。相关成果以“High-density Switchable Skyrmion-like Polar Nanodomains Integrated on Silicon”为题发表在《Nature》期刊上（DOI: 10.1038/s41586-021-04338-w）。

研究背景

近年来，人们已经从理论和实验上报道了钙钛矿氧化物铁电薄膜、超晶格等体系中存在诸多新奇的非平庸极性拓扑畴结构，包括通量闭合畴、涡旋、极性“泡泡”畴、极性斯格明子、半子等，并表现出奇异的物理特性（如导电性增强、负电容等），有望用于开发新型铁电晶体管及存储器等器件。然而，尽管极性拓扑畴具有潜在的重要应用前景，但由于高质量钙钛矿氧化物薄膜材料的制备与当前成熟的互补金属氧化物半导体工艺（CMOS）缺乏兼容性，难以将各种极性拓扑畴结构应用于新一代电子器件中。另外，极性拓扑畴的形成是体系中弹性能、静电能和梯度能之间在微小差别内相互竞争平衡的结果，因此需要特殊的材料结构设计，主要是在氧化物单晶衬底上获得，能否实现其与硅基片的集成仍是一个重要的科学问题。

创新研究

为解决钙钛矿氧化物与半导体材料的集成问题，聂越峰教授课题组尝试将氧化物铁电薄膜制备成高质量自支撑晶体膜，并将这些独立的功能单元进行组合及转移到半导体基片上以实现功能的整合。在前期的工作中，该课题组通过发展氧化物分子束外延（Oxide MBE）技术，解决了氧化物薄膜与界面的单原子层精度原位监控与制备的技术难题[Nat. Commun. 9.1, 2965 (2018)，Appl. Phys. Lett. 111, 011601 (2017)]，并成功实现了一系列高质量、单胞精度可控的自支撑钙钛矿铁电氧化物薄膜的制备，如BiFeO3 及PbTiO3 等体系[Nature 570, 87 (2019)、Adv. Mater. 34, 2105778(2022)、Adv. Mater. Interfaces 7, 1901604 (2020)]。在本工作中，该小组将自支撑PbTiO3/SrTiO3（PTO/STO）铁电/介电薄膜转移至硅基底上以进行集成。经过系统探索，在特定厚度比例的自支撑双层结构中实现弹性能、静电能等之间的平衡，获得了高密度极性拓扑畴及其阻态的调控。

图1 PTO20/STO10双层膜中高密度铁电纳米畴的实现。（a）自支撑双层膜中铁电纳米畴示意图。（b）自支撑双层膜的AFM形貌、VPFM振幅、VPFM相位、LPFM振幅和LPFM相位图。（c）中心发散和（d）中心会聚型纳米畴的放大图。

通过与吴迪教授课题组及潘晓晴教授课题组合作，借助矢量压电力显微镜及扫描透射电子显微镜在PTO/STO双层膜中观测到两种类型（中心发散型和中心会聚型）的高密度（～200 Gbit/inch2）极性纳米畴结构（图1）。其中，中心发散型纳米畴表现出具有类似Néel型极性斯格明子的结构，而中心会聚型纳米畴则表现出仅具有面内分量极化反转的有趣结构。同时，美国阿肯色大学Laurent Bellaiche教授及南京大学杨玉荣教授通过有效哈密顿量方法模拟证实了在PTO/STO双层膜中可以稳定存在上述两种复杂的极性拓扑结构。

此外，实验还发现这两种类型的拓扑纳米畴可以在外加电场下相互转换，并伴随着高低阻态之间的可逆变换（图2）。利用此可逆阻态变化，通过电场改变极性纳米畴的类型即可实现电路的“开”和“关”状态，从而有望应用于高密度、低能耗、非易失性铁电存储器中。相比于人们前期在铁电氧化物超晶格中观测到的多层铁电斯格明子拓扑结构，此工作在铁电/介电双层结构中观测到的单层极性拓扑畴能够有效地避免多层拓扑畴结构的层间相互影响，更容易通过外部电场调控每个独立的纳米畴结构，从而有望实现高效、节能的读写操作。

图2 自支撑氧化物双层结构中极性拓扑纳米畴的可逆阻态调控。（a）在+5 V i) 和-5 V ii) 扫描后在同一区域的形貌、VPFM/LPFM及CAFM图像。（b）施加+5 V和-5 V偏置电压可以实现在低阻态中心发散型纳米畴和高阻态中心会聚型纳米畴之间可逆切换。（c）两种不同类型拓扑结构的能带示意图。

总结与展望

审稿专家之一评价“这篇文章的构思以及高密度拓扑极性结构与硅基片的成功集成展示了将极性拓扑结构应用于新型存储器件方面非常乐观的前景。”高密度、可擦写极性拓扑结构能够被成功集成在硅基片上，并且经过光刻流程后仍能稳定存在，初步展现了将丰富的氧化物极性拓扑结构与传统半导体工艺相结合以开发新型低能耗、高性能电子器件的可能性。与此同时，需要注意的是，这离实际应用还有遥远的距离，仍有一系列重要的科学问题需要解决。首先，如何实现晶圆尺寸的大面积、高质量自支撑氧化物薄膜的生长和转移还存在巨大的挑战；其次，目前的读写电压还相对很高，还需要进一步优化结构以降低读写电压才能达到商用存储器件的低能耗、非易失性读写的要求；再次，极性拓扑畴结构能否制备成阵列结构以及在顶、底电极间是否稳定存在还需要系统探索。上述难题的解决以及尝试将更多新奇的极性拓扑结构与半导体基片进行集成都将推动氧化物极性拓扑结构往新一代电子器件应用方面更进一步，值得开展深入系统的探索。

南京大学现代工程与应用科学学院博士生韩露为该论文的第一作者，聂越峰教授、吴迪教授及加州大学尔湾分校潘晓晴教授为论文的共同通讯作者。南京大学陈延峰教授对本工作给予了重要指导。阿肯色大学Laurent Bellaiche教授及南京大学杨玉荣教授为本工作提供了重要的理论支持。该工作也得到了国家自然科学基金、科技部国家重点基础研究发展计划以及教育部“长江学者奖励计划”等项目的资助；此外，南京大学固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心以及江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室对该项研究工作也给予了重要支持。