【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院孫兆茹課題組聯(lián)合青島大學(xué)、山東大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究團(tuán)隊(duì)，在摻雜螢石氧化物結(jié)構(gòu)演化研究中取得重要進(jìn)展。他們發(fā)現(xiàn)，堿土金屬摻雜能夠誘導(dǎo)傳統(tǒng)螢石氧化物發(fā)生一種此前未被認(rèn)識(shí)的非晶多態(tài)(polyamorphic)轉(zhuǎn)變，形成金屬亞晶格有序而氧亞晶格非晶化的新型半有序非晶(Semi-ordered Amorphous, SA)結(jié)構(gòu)。相比傳統(tǒng)連續(xù)隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)非晶，該結(jié)構(gòu)同時(shí)具有更高的熱力學(xué)穩(wěn)定性、更寬的帶隙以及更高的介電常數(shù)，為高性能非晶介電材料設(shè)計(jì)提供了新的結(jié)構(gòu)范式。相關(guān)成果以“Doping-induced Polyamorphic Transitions in Fluorite Oxides”為題發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)。
 

　　在實(shí)際應(yīng)用中，人們通常希望材料保持非晶狀態(tài)，以獲得更加均勻的界面和更穩(wěn)定的器件性能。但傳統(tǒng)非晶氧化物普遍存在“穩(wěn)定性與介電性能難以兼顧”問(wèn)題：提高非晶穩(wěn)定性往往伴隨著介電常數(shù)下降，而提高介電性能又容易誘導(dǎo)材料重新結(jié)晶。這一性能權(quán)衡限制了高性能非晶介電材料的發(fā)展。
 

　　針對(duì)這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬、第一性原理計(jì)算以及多種實(shí)驗(yàn)表征技術(shù)，系統(tǒng)研究了堿土金屬摻雜對(duì)螢石氧化物非晶結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果顯示，Ba摻雜可在HfO2中誘導(dǎo)非晶多態(tài)轉(zhuǎn)變，形成一種“半有序非晶”(SA)相：氧亞晶格完全無(wú)序，而金屬(Ba/Hf)亞晶格仍保持有序的類立方框架。研究進(jìn)一步通過(guò)同步輻射EXAFS、高分辨STEM以及XRD等實(shí)驗(yàn)，對(duì)理論預(yù)測(cè)進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬高度一致。進(jìn)一步計(jì)算表明，該SA相的形成源于簡(jiǎn)并的短程對(duì)稱性破缺模式，符合Pauling簡(jiǎn)約規(guī)則。與傳統(tǒng)連續(xù)隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)非晶(RA)結(jié)構(gòu)相比，SA相具有更高的熱力學(xué)穩(wěn)定性、更寬的帶隙和更高的介電常數(shù)，這是因?yàn)橛行蚪饘賮喚Ц褚种屏藖啂稇B(tài)，并增大了Hf和O原子的玻恩有效電荷。這一結(jié)構(gòu)形成機(jī)制還可推廣至Ba、Sr、Ca摻雜的HfO2與ZrO2體系，為設(shè)計(jì)高性能非晶high-k介質(zhì)提供了普適策略。
 

　　本工作首次證實(shí)了摻雜調(diào)控在形成半有序非晶結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵作用，并揭示了其在高性能柵介質(zhì)材料設(shè)計(jì)與器件集成中的潛在價(jià)值。上海科技大學(xué)物質(zhì)學(xué)院博士生楊昊、青島大學(xué)研究生欒喬童為論文共同第一作者。上?？萍即髮W(xué)孫兆茹教授、青島大學(xué)溫崢教授、山東大學(xué)劉曉輝教授為共同通訊作者。
 

　　引用：物質(zhì)學(xué)院孫兆茹課題組揭示摻雜誘導(dǎo)螢石氧化物非晶多態(tài)性轉(zhuǎn)變機(jī)制-上?？萍即髮W(xué)【引用時(shí)間：2026年9月18日】