固体所在高压调控氧化铪结构相变和电学性质方面取得新进展
- 2025/3/11 10:20:13 20567
- 来源：中国科学院合肥物质院固体所
【仪表网 研发快讯】近期，中国科学院合肥物质院固体所联合西南交通大学等，结合高压电输运实验、高压拉曼实验和第一性原理计算，揭示了氧化铪(HfO2)在高压下的结构相变规律及其电学性质演化机制，解决了此前关于HfO2在低压区的相变争议。相关结果以“Structural and electrical properties of HfO2 at high pressure”为题发表在Physical Review B (Phys. Rev. B 111, 115104 (2025))上。
HfO2作为一种具有良好互补金属氧化物半导体兼容性的铁电材料，在半导体存储器、低功耗逻辑器件等领域具有广泛的应用前景。研究表明，HfO2在常压下没有铁电性，通过应变或掺杂等方式可诱导其转变为非中心对称的正交相，从而产生铁电性，这说明其铁电性与晶体结构密切相关。高压是调控材料结构、研究构效关系的有力手段。然而，目前对于HfO2在低压区是否存在结构相变仍存在争议，尤其是通过高压拉曼光谱和高压X射线衍射光谱两种实验技术得到的结论存在冲突，这阻碍了对HfO2的结构和物性的进一步理解。因此，研究团队引入了另一种高压实验技术——电输运，同时结合高压拉曼光谱实验和第一性原理计算，对HfO2在低压区的相变给出了明确解答。
基于金刚石对顶砧装置高压技术，研究人员发现，压力下HfO2的原位电输运、拉曼光谱实验和第一性原理计算结果之间能够很好的契合。HfO2在低压区(3.5 ± 0.5 GPa)由单斜相转变为正交I相，并在15.2 ± 0.6 GPa时进一步转变为正交II相。此外，研究团队还对掺杂5%钇的HfO2进行了研究，发现掺杂可以进一步降低HfO2的相变压力。该研究解答了关于HfO2低压区压力诱导结构相变的争议，并为深入理解其结构与电输运特性之间的关系提供了参考。
该工作由合肥物质院、西南交通大学、安庆师范大学和中国科学技术大学合作完成。其中，丁俊峰研究员、刘其军教授和程鹏博士为论文共同通讯作者，博士生潘孝美为论文第一作者。上述工作得到了国家自然科学基金的支持。
图1.高压电输运实验示意图。
图2. 掺杂5%Y-HfO2在高压下的I-V曲线(a) ，电阻随压力的变化(b)。
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