Nature Electronics：西湖大学孔玮团队给原子「换个队形」，让 0.6 纳米薄膜拥有「记忆」
2026-09-04 18:00点击次数：8
西湖大学工学院孔玮研究员团队在原子尺度铁电薄膜领域取得重要进展，首次在亚纳米厚度（6 Å）的单晶二维氧化镓（2D-Ga₂O₃）中实现了稳定的铁电极化，为超低功耗、高密度存储器件提供了全新的材料体系。相关成果以「Ferroelectricity in six-angstrom-thick two-dimensional gallium oxide」为题发表于 Nature Electronics。
铁电材料因其在外电场作用下具有可逆的极化翻转特性，在非易失存储、类脑计算、传感等领域展现出重要应用前景。随着微电子器件向高密度集成与低功耗方向发展，铁电材料被认为是下一代存储与计算融合架构器件的重要候选材料体系。尤其在微电子器件体积不断缩小的背景下，开发可在纳米尺度甚至原子尺度稳定工作的铁电材料，对于实现超高密度集成与新型计算范式具有重要意义。
然而，当铁电材料厚度降低至纳米甚至原子尺度时，其性能会受到显著的尺寸效应限制。一方面，由于薄膜表面未补偿电荷引起的去极化场增强，会严重削弱甚至抑制薄膜铁电极化；另一方面，超薄铁电薄膜中畴结构受限、界面钉扎效应增强，使得极化翻转过程更加困难，从而导致器件所需驱动电压显著升高。这不仅影响器件的可靠性和功耗，还使其难以满足先进 CMOS 工艺对低工作电压（通常低于 1 V）的严格要求。因此，如何在极限厚度下同时实现铁电极化的稳定保持与低电压「开关」，成为当前超薄铁电材料研究与器件应用中的核心挑战。
针对上述挑战，研究团队创新性地提出了一种「自限制剥离+应变调控」的策略：通过对外延界面调控，实现了 β-Ga₂O₃薄膜从同质衬底上的自限性剥离，从而获得大面积高质量的二维单晶薄膜，最薄达到仅半个晶胞厚度（6 Å）；同时在薄膜中引入应变诱导材料发生从中心对称 β 相向非中心对称铁电相（FE-ZB 相）的结构转变，从而在极限厚度下产生稳定的铁电极化。实验表明，该 2D-Ga₂O₃在亚纳米厚度下（6 Å）仍表现出明显的铁电滞回特性，剩余极化约为 7.5 μC/cm²，并具有优异的极化保留特性和热稳定性（居里温度超过 1300 K）。进一步，通过调控应变强度，成功将薄膜极化「开关」电压降低至 0.8 V，实现了与先进 CMOS 工艺兼容的电压尺度。此外，我们展示了铁电 2D-Ga₂O₃兼容 Si 基后端工艺（BEOL）的能力。这些发现使 2D-Ga₂O₃展现出在单一架构中实现计算、存储和传感等多功能性的巨大潜力，使其成为下一代高密度、低功耗多功能集成电子器件的理想候选材料。
图 1 不同厚度的单晶 β-Ga₂O₃薄膜的合成
通过光学显微镜和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）证明通过自限性剥离策略实现了不同厚度的大面积单晶 β-Ga₂O₃薄膜的可控合成，其薄膜厚度最薄可达 0.5 个晶胞厚度（6 Å）。
图 2 超薄 2D-Ga₂O₃薄膜的铁电性能表征
通过压电力显微镜（PFM）和 PUND 表征证明了 6 Å 厚的 2D-Ga₂O₃薄膜存在铁电极化，并且通过 SHG 信号表征了 2D-Ga₂O₃铁电薄膜的居里温度超过 1300 K。构建的铁电隧道结器件展示出超过 10⁴的电阻开关比和优异的极化稳定性。
图 3 铁电 2D-Ga₂O₃薄膜的相变和极化翻转机制
结合密度泛函理论（DFT）与实验观察（不同应力下的 PFM 和 TEM 原子图）揭示了超薄 2D-Ga₂O₃薄膜由应变诱导的铁电相变机制，并且提出了基于共价键重构的铁电极化翻转机制，为薄膜优异的极化稳定性提供理论支持。且 2D-Ga₂O₃薄膜极化势垒受应力调控，因而在维持高极化稳定性的同时实现了较低（0.8V）的极化「开关」电压。
图 4 2D-Ga₂O₃薄膜与 SiO₂/Si 衬底的集成及铁电激活
通过薄膜转移技术实现了 2D-Ga₂O₃薄膜与多种衬底的集成，并通过 Si 基后端工艺（EBOL）兼容的低温退火过程实现了 Si 上 2D-Ga₂O₃薄膜的铁电激活，展示了 2D-Ga₂O₃薄膜的多衬底兼容性及在硅基电子器件中的集成潜力。
本研究亮点：
1. 实现了 6 Å 厚单晶 2D-Ga₂O₃薄膜的可控制备。
2. 首次在该体系中观测到稳定的铁电极化并完成电学验证。
3. 提出了应变诱导晶体结构相变实现铁电极化的新机制。
4. 证明了 2D-Ga₂O₃薄膜优异的极化维持特性和热稳定性。
5. 实现了铁电的低电压（0.8 V）「开关」及与硅工艺和基底的兼容性，为下一代高密度、低功耗多功能集成电子器件的开发提供可行路径。
本研究的第一作者为西湖大学博士后蒋彤，西湖大学-浙江大学联合培养博士生陈涵、袁誉博、徐翔担任共同第一作者，西湖大学工学院特聘研究员孔玮、西湖大学工学院特聘研究员李文彬、西湖大学助理研究员朱华泽为本研究通讯作者。该工作得到了西湖大学未来产业研究中心、西湖教育基金和国家自然科学基金的资助支持。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41928-026-01694-1
