Nature |纤锌矿铁电体中电场诱导的铁电畴壁结构与调控机制研究

Nature

发布时间：2025年4月
来源期刊：Nature
原文标题：Electric-field-induced domain walls in wurtzite ferroelectrics
DOI：10.1038/s41586-025-08812-7

作者：Ding Wang, Danhao Wang, Mahlet Molla等
 单位：密西根大学、麦吉尔大学

【研究背景】

纤锌矿结构氮化物（如 ScAlN、ScGaN）因其优异的铁电和压电性能，在非易失性存储器、传感器及新型计算器件中展现出巨大潜力。然而，其电畴结构的原子尺度特征、极化翻转机制及界面电子态等关键科学问题尚未完全阐明，尤其是电畴壁的构型与电荷补偿机制缺乏系统性研究。本研究通过原子分辨率扫描透射电子显微镜（STEM）结合第一性原理计算，首次揭示了 ScGaN 中电场诱导畴壁的原子排列规律与电学行为，并建立了普适性的极化电荷补偿理论模型。

【核心发现】

1、垂直铁电畴壁（VDWs）的中性特性与原子构型

通过高分辨HAADF与iDPC成像，研究团队在原子尺度下解析了VDWs的精细结构。结果表明，VDWs呈现八重环/四重环周期性排列（图1），并伴随晶格横向膨胀。极化矢量分析与电荷密度计算进一步证实其电中性本质，密度泛函理论（DFT）模拟显示其电子态密度与体材料几乎一致，揭示了畴壁稳定的结构基础。

2、水平铁电畴壁（HDWs）的带电特性与补偿机制

研究团队首次捕捉到厚度仅为数层原子的水平电畴壁，其内部呈现新颖的“翘曲二维六方结构”（buckled 2D hexagonal phase）（图2），存在大量未饱和配位的金属原子悬挂键，并在禁带中引入丰富的中间态。结合实验与DFT分析，研究提出了极化电荷与未成键价电子之间的协同补偿机制：在180°极化翻转形成的带电畴壁区域，正向极化束缚电荷恰被未成键价电子所中和。这一机制不仅揭示了HDW的稳定来源，更具备普适性，适用于所有四面体铁电材料中的头对头或尾对尾反极化畴结构，拓展了铁电畴壁电性调控的理论基础。

3、可重构导电畴壁的器件应用潜力

基于扫描导电原子力显微镜（c-AFM）的原位表征，团队证实 HDWs 可作为可控导电通道（图3）。通过调节偏压，可实现畴壁导电性的写入、擦除及倾角调控，展现出优异的非易失性与可编程性。这一发现为开发基于畴壁的铁电存储器、逻辑门及神经形态器件奠定了实验基础。

【图注摘要】

图1：VDWs 微观结构与电荷分布

图2：HDWs 微观结构与电荷分布

图3：纤锌矿铁电体中的可擦写导电畴壁

【总结与展望】

本研究通过多尺度表征与理论模拟，系统阐明了纤锌矿铁电体中畴壁的原子构型、电荷行为及调控规律。提出的极化-电子协同补偿机制具有普适性，可拓展至其他铁电/多铁体系。未来，基于导电畴壁的可编程器件有望实现更高集成度与更低能耗，推动铁电材料在信息存储与计算领域的应用突破。

原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08812-7

【作者简介】

共同第一作者

王丁，密西根大学安娜堡分校助理研究员，现为北京大学物理学院助理教授。2014-2019年于清华大学获得学士和博士学位。2019年9月至2024年12月先后于日本三重大学、美国密西根大学安娜堡分校从事科研工作。2025年3月加入北京大学物理学院。长期从事宽禁带半导体材料与应用研究，包括III族氮化物隧道结和异质结输运行为，新型氮化物半导体的高质量外延和器件应用，氮化物铁电半导体极化翻转调控规律和电荷补偿机制，及基于宽禁带半导体的新型、功能性器件等。相关成果发表于Nature、Advanced Materials、Applied Physics Letters等期刊，并多次担任Nature、Nature Communications等期刊审稿工作。

共同第一作者/共同通讯作者

汪丹浩，密西根大学安娜堡分校博士后。2022年于中国科学技术大学获博士学位（师从孙海定教授），随后赴美国密西根大学安娜堡分校从事科研工作。长期从事宽禁带半导体材料与新型器件研究，研究兴趣涵盖氮化物铁电材料、新型氮化物光电器件、半导体光电能源转换及低维半导体材料等。近5年以第一作者或通讯作者（含共同）在Nature、Nature Electronics、Nature Communications（2）、Light: Science & Applications、Advanced Materials、Nano Letters、ACS Nano、Advanced Functional Materials（5）等期刊发表论文26篇，Google Scholar引用3200+，h指数29。曾荣获中科院百篇优博、Rising Stars of Light, Candidate Award、中科院院长奖、中科大优博、国家奖学金（2次）、安徽省优秀毕业生及中科大优秀毕业生等多项荣誉。