随着非易失存储器、存内计算、电光调制器和微机电系统等领域的快速发展，铁电薄膜材料受到广泛关注。其中，
纤锌矿型铝钪氮(AlScN)因其饱和极化强度、高居里温度以及与CMOS工艺的良好兼容性，被视为下一代铁电器件的有力候选材料。然而，AlScN薄膜的高质量生长通常依赖与衬底之间的晶格匹配和化学键合，传统方法普遍面临衬底受限、结晶质量-生长温度难以兼顾、难以剥离获得自支撑薄膜等瓶颈，制约了其在异质集成和柔性电子中的应用。
针对上述挑战，清华大学材料学院易迪副教授、南策文院士团队提出一种基于过渡金属二硫化物(TMDC)二维缓冲层的准范德华外延生长策略，成功在150°C的低温条件下，在不同晶格对称性的衬底上制备出高质量、高c轴取向的AlScN薄膜(图1A)。研究团队使用了面内晶格常数匹配的TMDC材料，为AlScN的生长提供了理想的形核模板，界面处TMDC的S原子和Al原子形成化学键，而TMDC之间保持范德华作用(图1B)。这种“界面成键、层内弱键”的结构既保证了外延取向的传递，又避免了衬底晶格失配和静电作用的干扰，使得高质量生长不再受限于衬底。研究表明，单层及以上的MoS2均可以诱导AlScN高质量生长，层数达到四层以上时，其摇摆曲线半峰宽可以达到0.6°(图1C)，打破了传统策略中结晶质量和生长温度的倒置耦合(图1D)，且最小缓冲层厚度仅为单个原子层，极大程度减少了器件的垂直尺寸。
图1.AlScN/MoS2的集成策略和相关结构表征
基于TMDC的可剥离特性，研究团队首次演示了AlScN纳米薄膜的自支撑剥离和铁电电容器制备(图2A-B)，由于更高的结晶质量和更低的界面缺陷密度，其剩余极化强度达~120 μC/cm²(图2C)，相比传统AlScN/Pt电容器，漏电流密度更低，翻转动力学更快(图2D-F)。
图2.AlScN自支撑剥离和铁电性能测试
该研究为纤锌矿型铁电、压电和电光材料的低温异质集成提供了全新思路，不仅提供了一种高结晶质量、低温生长的有效策略，同时范德华界面赋予薄膜可转移性，为柔性电子和三维功能异质集成提供了器件建构可能性。
研究成果以“准范德华外延低温生长高质量纤锌矿铁电薄膜”(Low Temperature Growth of High-Quality Wurtzite Ferroelectric Through Quasi-van der Waals Epitaxy)为题，于7月14日发表于《先进材料》(Advanced Materials)。
清华大学材料学院2021级博士生杨译茗、李宗霖为论文共同第一作者，清华大学材料学院副教授易迪为论文通讯作者。其他重要合作者包括清华大学材料学院南策文院士、林元华院士、刘锴教授、马静副教授，集成电路学院副教授南天翔;湖北大学材料学院教授郭金明;中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员邵定夫等。
研究得到国家自然科学基金、国家自然科学基金基础科学中心项目、国家重点研发计划等的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.74106
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