泽攸科技原位TEM助力铁电负电容研究实现三重跨越-泽攸科技

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泽攸科技原位TEM助力铁电负电容研究实现三重跨越

发布时间：

2025-06-26

在微电子器件进入后摩尔定律时代的发展阶段，功率消耗问题已成为制约器件进一步微型化的核心挑战。铁电材料的负电容效应因其能够突破玻尔兹曼极限、将亚阈值摆幅降至60 mV/dec以下，被视为解决晶体管“功率墙”问题的关键路径，近年来受到广泛关注。基于朗道模型，铁电负电容区域具有瞬态和不稳定的特性，这使得直接实验观测变得极为困难，通常需要串联额外电阻或介电电容器以获取更大的电压降。尽管实验和理论研究已表明双势垒景观中的亚稳态区域与铁电畴在外场下的演化密切相关，但关于负电容的瞬态与稳态机制仍存在争议。尤其是单层铁电体和铁电/介电异质结构这两大重要体系中，铁电畴动态过程与负电容效应的关联尚未明晰，导致对其物理机制的争论持续存在。

不过传统脉冲测量虽能研究铁电畴动力学，但无法准确获取电极下畴结构的分布与演化信息，难以全面揭示负电容效应与畴动态的关联。此外铁电畴的瞬态切换过程对负电容的贡献机制尚不明确，且极化切换诱导的电荷注入等外源因素的作用也未被充分量化。例如单层铁电体中的“头对头”畴壁运动会导致强退极化场，而STO/PZT异质结构中界面电荷辅助的“朗道切换”模式则表现出无滞后的快速极化翻转特性，但二者对负电容的增强机制差异仍需实验验证，这些问题的存在使得铁电负电容效应的物理本质及其在低功耗器件中的应用潜力仍未被完全挖掘。

针对上述问题，由中山大学等组成的研究团队利用泽攸科技原位TEM进行了深入研究，该团队通过极化映射技术定量分析了铅原子位移矢量Dpb，揭示了单层铁电体与异质结构完全不同的畴切换机制。这种多学科交叉的研究方法，使得团队能够首次区分本征（畴动力学）和外征（电荷注入）负电容效应的贡献。相关成果以“Direct Observation of Ferroelectric Domain Switching Dynamics Under Negative Capacitance Conditions via In Situ Transmission Electron Microscope”为题发表在《ACS Nano》期刊上。

该研究通过创新性地结合原位TEM与脉冲测量技术，首次实现了对铁电材料负电容效应中畴动态演变过程的实时观测。研究团队以PbZr0.2Ti0.8O3（PZT）单层薄膜和SrTiO3/PZT（STO/PZT）异质结构为模型体系，揭示了两种完全不同的畴切换机制及其对负电容效应的贡献差异。单层PZT表现出经典的三步畴切换模式（成核-生长-畴壁运动），而STO/PZT异质结构则展现出独特的"朗道切换"特征，这种均质化切换模式使得极化翻转速度提升了一个数量级。

研究团队开发的高时空分辨率原位表征系统成功捕捉到负电容效应与畴动态的关联规律。实验发现单层PZT中畴成核和生长阶段产生的"头对头"畴壁会引发强退极化场，这是本征负电容效应的主要来源。而极化切换诱导的电荷注入则构成了外征负电容效应，其贡献甚至超过本征效应。特别值得注意的是，通过阶梯电压实验首次实现了对这两类效应的定量区分，数据显示电荷注入导致的瞬态电压降可达阶跃幅度的40%。

在STO/PZT异质结构研究中，团队观察到界面电荷动态对负电容效应的显著增强作用。界面导电性的变化导致电容器式的全域畴切换，使负电容电压降比单层铁电体提高一个数量级（1.24V），同时表现出无滞后的快速响应特性。这种由界面电荷辅助的极化切换机制，不仅验证了理论预测的"朗道切换"模式，还为设计高性能负电容器件提供了新思路。

该研究通过多尺度实验方法，建立了从原子尺度畴结构演变到宏观电学响应的完整关联，不仅澄清了铁电负电容效应的物理起源，还为优化负电容器件性能提供了重要指导。特别是发现异质结构界面工程可同时增强本征负电容效应并抑制外征效应，这一发现对开发新一代低功耗电子器件具有重要启示意义。

泽攸科技作为中国本土的高端精密仪器公司，是原位电子显微镜表征解决方案的一流供应商，推出的PicoFemto系列的原位透射电子显微镜表征解决方案，陆续为国内外用户的重磅研究成果提供了技术支持。下图为该研究成果中用到的泽攸科技原位TEM产品：