近日，南京大学现代工程与应用科学学院聂越峰教授课题组利用钙钛矿氧化物自支撑铁电薄膜，在硅基片上集成了高密度铁电畴壁，并实现了畴壁导电性的人工擦写调控，展示了氧化物铁电畴壁在硅基非易失性存储器方面的应用潜力, 相关成果以“Nonvolatile ferroelectric domain wall memory integrated on silicon”为题发表在Nature Communications期刊上(DOI:10.1038/s41467-022-31763-w)。

近年来，铁电畴壁作为铁电材料中分离畴区域的纳米级过渡区域展现出多种新颖的特性，包括金属电导、磁阻和光伏效应等。基于其纳米级尺寸和导电性的可擦写调控，铁电畴壁在高密度、低功耗的非易失性存储器中具有重要的应用前景。然而，当前广泛研究的导电畴壁主要存在于氧化物单晶衬底上的外延铁电薄膜中，实现与半导体硅基片的集成并与当前成熟的互补金属氧化物半导体工艺（CMOS）相兼容对推进其器件应用具有重要意义，但也存在重大挑战。

图1. 铁电畴壁存储器原型和制备流程示意图。(a) 铁电畴壁存储器的OFF和ON状态。(b) BTO薄膜转移前后的畴结构相场模拟。(c) 自支撑铁电薄膜与硅基片集成的流程示意图。

基于氧化物分子束外延技术，聂越峰老师课题组近年来在自支撑氧化物薄膜的制备与器件集成方面开展了系列前沿探索，为本课题的顺利开展打下了坚实基础。本工作中，该课题组通过生长-转移的方法制备出高质量的自支撑钙钛矿氧化物BaTiO₃铁电薄膜，并与硅基片进行了后续集成与器件设计探索。通过理论模拟、X射线衍射及扫描探针显微技术等手段，本工作揭示了集成至硅基片上的BaTiO₃薄膜具有显著的面内铁电极化，完全区别于受衬底束缚时所产生的面外单畴极化（图1）。出现90°极化旋转产生面内极化畴结构的原因主要归结为转移过程中的应变弛豫和退极化场效应的协同作用。更有趣的是这种BaTiO₃/Si异质结中形成了高密度的具有导电性的头对头畴壁，并且可以人工创建和擦除，从而实现导电畴壁存储器的 “读取”、“写入”和“擦除”等基本功能（图2）。本工作展示了将自支撑钙钛矿氧化物铁电薄膜与Si基片集成用于开发新型信息存储等高性能电子器件方面的重要前景。

图2.BaTiO₃/Si中铁电畴壁导电性的可擦写调控。(a-c) 读取样品本征状态。(d-f)“写入”导电畴壁。(g-n) 两种不同的方式“擦除”导电畴壁。(o) 不同畴壁状态下的电流-电压曲线。

南京大学现代工程与应用科学学院博士生孙浩滢以及南京大学本科生（现斯坦福大学博士生）王洁融为该论文的共同第一作者，聂越峰教授为论文的通讯作者。加州大学尔湾分校潘晓晴教授、南京大学吴迪教授以及康奈尔大学Darrell G. Schlom教授为本工作提供了重要指导。北京理工大学黄厚兵教授为本工作提供了重要的理论支持。该工作也得到了科技部国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金以及教育部“长江学者奖励计划”等项目的资助；此外，南京大学固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心以及江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室对该研究也给予了重要支持。