近日，湖南国家应用数学中心研发人员唐明华（湘潭大学材料科学与工程学院教授）、龙志林（湘潭大学土木工程学院教授）与南方科技大学李江宇教授合作完成的论文“通过载流子介导的相变揭示掺杂二氧化铪中铁电性的起源”(Unraveling the origins of ferroelectricity in doped hafnia through carrier-mediated phase transitions)在期刊npj Computational Materials （计算材料）正式发表（该期刊系Nature子刊，计算材料领域顶级TOP期刊，中科院JCR 1区，影响因子9.4）。湘潭大学李刚博士为论文的第一作者，唐明华教授、龙志林教授、李江宇教授为论文的共同通讯作者，湖南国家应用数学中心为论文的完成单位之一。
氧化铪铁电材料为半导体行业带来了全新的技术路径，其低功耗、高性能和CMOS兼容性优势使其在存储器、逻辑器件、人工智能和传感器等领域具有广泛的应用价值。然而，在 HfO2基块体材料中，铁电相不是自由能最低的相，因此 HfO2中稳健铁电性的起源和潜在的相变机制仍然难以捉摸。掺杂作为激发HfO2薄膜铁电性能的关键策略已广受认可，但其深层次的机制依旧笼罩在诸多争议之中。尤为引人注目的是，异价掺杂剂所引入的载流子角色，在过去的研究中往往被边缘化，未能得到充分的探讨。
图1 载流子掺杂下的丰富的相结构演化过程
论文合作团队通过对载流子静电掺杂下二氧化铪各相的晶体结构、电子结构和化学键的演变进行了第一性原理分析。他们发现载流子掺杂的二氧化铪经历了复杂的相变，由微小能量差异驱动的多个共存相的存在进一步加大了识别铁电相难度。p型掺杂下情况下，相变有助于增强特定浓度下的 f 相稳定性，而 n 型掺杂则更具挑战性。随着空穴浓度的增加，氧化铪会发生单斜相到极性正交相最后到立方相的转变，这与La掺杂氧化铪薄膜高度吻合(Inorg. Chem. 57, 2752–2765 (2018))。
图2 载流子掺杂对氧化铪翻转势垒和自发极化的影响
另外，还发现空穴掺杂不仅能降低铁电相与反铁电相之间的能量差，使得铁电相更容易实现。而且空穴掺杂能降低铁电相的极化翻转势垒，这与p型掺杂氧化铪薄膜拥有较低的矫顽场相符。在铁电极化方面，空穴掺杂能些微增强氧化铪的自发极化强度，但过高的掺杂浓度则会因相结构转变而使极化消失。
图3 载流子掺杂对各相的电子结构和化学键的影响作用
最后，他们从载流子屏蔽和化学键两方面探讨了空穴掺杂稳定氧化铪铁电相的机理。发现强电子屏蔽和不稳的非极性Hf-O键驱使n型掺杂氧化铪铁电相相变成了反铁电相。而空穴则有利于极性Hf-O成键，并强化了Hf-O共价键，使得氧化铪铁电稳定性增强。
相关论文近期发布于npj Computational Materials 11: 34 (2025)。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41524-025-01515-7
图4 唐明华教授、李刚博士照片
唐明华为湖南国家应用数学中心科研骨干、湘潭大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，国家重点研发计划项目首席科学家，研究方向为先进信息材料及低功耗高密度存储器(铁电/阻变存储器)、硅漂移探测器、类脑计算与感存算一体芯片技术等。湖南省普通高校微电子学与固体电子学学科带头人，清华大学、日本东京工业大学、新加坡南洋理工大学访问学者。IEEE、中国电子学会、中国材料学会高级会员，Nature Electronics、Advanced Materials、Nature Communications、IEEE Electron Device Letters等30种国际期刊审稿人。主持科技部国家重点研发计划重点专项、国家自然科学基金“后摩尔时代新器件基础研究”重大研究计划培育项目/区域创新发展联合基金重点项目/面上项目/国际交流合作项目、国家国防科工局技术基础科研计划项目等科研项目。在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Advanced Science、IEEE Journal of Solid-State Circuits、The IEEE Transactions on Very Large Scale Integration Systems、IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems、IEEE Electron Device Letters、Pattern Recognition、Physical Review Letters、IEEE Transactions on Nuclear Science等国内外著名刊物上发表SCI收录论文150余篇。获授权国家发明专利21项、集成电路布图设计著作权1项。获湖南省自然科学奖一等奖/二等奖、国家级高等教育教学成果奖二等奖、湖南省高等教育教学成果奖一等奖/二等奖及中国船舶集团有限公司科技进步一等奖等科技成果奖励。
