跳动城乡网想象一下，一层厚度仅为纳米的薄膜可以存储数 GB 的数据，足以存储电影、视频游戏和视频。这就是铁电材料在记忆存储方面令人兴奋的潜力。这些材料具有独特的离子排列，产生两种不同的极化状态，类似于二进制代码中的 0 和 1，可用于数字记忆存储。
这些状态是稳定的，这意味着它们可以在没有电源的情况下“记住”数据，并且可以通过施加小电场有效地切换。这种特性使它们非常节能，并且能够快速读写。然而，一些众所周知的铁电材料，如 Pb(Zr,Ti)O 3 (PZT) 和 SrBi 2 Ta 2 O 9 ，在制造过程中暴露于氢气热处理时会降解并失去极化。
在《应用物理快报》上发表的一项研究中，东京工业大学 (Tokyo Tech) 助理教授 Kazuki Okamoto 和 Hiroshi Funakubo 领导的研究小组与佳能 ANELVA 公司和日本同步辐射研究中心 (JASRI) 合作证明了氮化铝钪 (AlScN) 铁电薄膜在高达 600°C 的温度下仍能保持稳定并维持其铁电性能。
Funakubo 表示：“我们的研究结果证明，无论电极材料是什么，在含氢气氛中进行热处理的薄膜都具有很高的铁电性稳定性。这对于下一代铁电存储设备来说是一个非常有希望的结果，并提供了更多的处理选项。”
为了使铁电材料能够与含 H 2气氛下的高温制造工艺兼容，理想情况下，它们的晶体结构和铁电性能应几乎不会下降。这方面的两个关键参数是剩余极化 (P r ) 和矫顽场 (E c )。P r是指移除电场后保留的极化，而 E c是切换材料极化状态所需的电场。
AlScN 的 P r (>100 µC/cm²)高于PZT (30–50 µC/cm²)。然而，在含 H 2的气氛下进行热处理对其性能的影响至今尚不清楚。
为了研究这一点，研究人员在 400°C 的温度下使用溅射技术在硅基板上沉积了 (Al 0.8 Sc 0.2 )N 薄膜。这些薄膜被放置在铂 (Pt) 和氮化钛 (TiN) 两个电极之间。电极在材料的稳定性中起着至关重要的作用。Pt 促进氢气融入薄膜，而 TiN 则充当 H₂ 扩散的屏障。因此，评估其与不同电极材料的性能至关重要。
在 800 Torr 的压力下，在 400 至 600 °C 的温度下，在氢气和氩气氛围中对薄膜进行 30 分钟的后热处理。研究人员使用 X 射线衍射 (XRD) 检查了本体和薄膜电极界面中晶体结构的变化。使用正上负下 (PUND) 测量来评估 P r和 E c。该技术涉及对薄膜施加正电场和负电场并观察由此产生的极化响应。
薄膜保持了稳定的纤锌矿型晶体结构。无论电极或处理气氛如何， P r都稳定在 120 µC/cm² 以上，该值比 HfO 2基薄膜大五倍，比 PZT 大三倍。此外，E c仅略有增加，约为 9%。这种增加归因于薄膜晶格常数的变化，而不是由于氢的存在或所用电极的选择。值得注意的是，与其他易受氢扩散影响的铁电材料不同，Al 和 N 之间的高键能可防止氢渗透薄膜。
Funakubo 表示： “结果表明，(Al 0.8 Sc 0.2 )N 比传统铁电薄膜和 HfO₂ 基铁电薄膜更能抵抗后热处理带来的退化。”(Al,Sc)N 薄膜具有相对稳定的晶体结构、较高的 P r值和较小的 E c变化，是下一代铁电存储器件的有希望的候选材料。
