近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所聯(lián)合西南交通大學(xué)等，結(jié)合高壓電輸運實驗、高壓拉曼實驗和第一性原理計算，揭示了氧化鉿（HfO₂）在高壓下的結(jié)構(gòu)相變規(guī)律及其電學(xué)性質(zhì)演化機制，解決了此前關(guān)于HfO₂在低壓區(qū)的相變爭議。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Physical Review B上。

HfO₂作為一種具有良好互補金屬氧化物半導(dǎo)體兼容性的鐵電材料，在半導(dǎo)體存儲器、低功耗邏輯器件等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。研究表明，HfO₂在常壓下沒有鐵電性，通過應(yīng)變或摻雜等方式可誘導(dǎo)其轉(zhuǎn)變?yōu)榉侵行膶ΨQ的正交相，從而產(chǎn)生鐵電性，這說明其鐵電性與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。高壓是調(diào)控材料結(jié)構(gòu)、研究構(gòu)效關(guān)系的有力手段。然而，目前對于HfO₂在低壓區(qū)是否存在結(jié)構(gòu)相變?nèi)源嬖跔幾h，尤其是通過高壓拉曼光譜和高壓X射線衍射光譜兩種實驗技術(shù)得到的結(jié)論存在沖突，這阻礙了對HfO₂的結(jié)構(gòu)和物性的進(jìn)一步理解。因此，研究團(tuán)隊引入了另一種高壓實驗技術(shù)——電輸運，同時結(jié)合高壓拉曼光譜實驗和第一性原理計算，對HfO₂在低壓區(qū)的相變給出了明確解答。

基于金剛石對頂砧裝置高壓技術(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)，壓力下HfO₂的原位電輸運、拉曼光譜實驗和第一性原理計算結(jié)果之間能夠很好的契合。HfO₂在低壓區(qū)（3.5 ± 0.5 GPa）由單斜相轉(zhuǎn)變?yōu)檎?/span>I相，并在15.2 ± 0.6 GPa時進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)檎?/span>II相。此外，研究團(tuán)隊還對摻雜5%釔的HfO₂進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)摻雜可以進(jìn)一步降低HfO₂的相變壓力。該研究解答了關(guān)于HfO₂低壓區(qū)壓力誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)相變的爭議，并為深入理解其結(jié)構(gòu)與電輸運特性之間的關(guān)系提供了參考。

該工作由合肥物質(zhì)院、西南交通大學(xué)、安慶師范大學(xué)和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合作完成。其中，丁俊峰研究員、劉其軍教授和程鵬博士為論文共同通訊作者，博士生潘孝美為論文第一作者。上述工作得到了國家自然科學(xué)基金的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.111.115104

圖1.高壓電輸運實驗示意圖。

圖2.?摻雜5%Y-HfO₂在高壓下的I-V曲線(a) ，電阻隨壓力的變化(b)。