【会员论文】给原子“换个队形”，让0.6纳米薄膜拥有“记忆”

日期：2026-09-07阅读：41

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，该团队展示了铁电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。

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。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41928-026-01694-1

团队介绍

先进固态半导体实验室：

基于过去半个世纪的大量科研投入，硅基半导体材料的物理极限被充分发掘，现代电子器件的进一步发展受限于硅材料的本征性能及其单一功能，对下一代非硅半导体技术的研究是未来电子科技进步的基础和动力。本实验室主要从事下一代高性能晶体半导体材料合成、工艺开发以及器件应用研究。致力于开拓超微型多功能集成芯片的新解决方案，并应用于人工智能、人机界面、物联网等未来场景。

本工作主要负责人介绍：

孔玮博士2007年本科毕业于中山大学物理学院; 2016年于杜克大学电子工程系获博士学位，研究方向为III-V族化合物合成和器件制备；2016年至2020年在麻省理工学院机械工程系从事博士后研究，方向为低维材料及体材料异质结构，开拓了异质材料多功能集成的新研究方向。