铁电材料凭借极化状态的电场可逆翻转，成为下一代非易失性存储器的核心功能材料。其中纤锌矿结构的钪掺杂氮化铝（Al₁₋ₓScₓN）因极化强度大、热稳定性优异且与半导体工艺兼容，被视为面向未来微电子芯片的关键候选材料。
然而，纤锌矿氮化物的极化翻转发生在强共价键合的四面体晶格中。按照传统集体离子位移模型，原子需要 "齐步走" 式同时翻转，必须克服极高能垒。Sc 掺杂虽能实验上降低矫顽场，但其微观动力学机理长期缺乏直接实验证据。
近日，华东师范大学成岩教授 / 吴宇宁教授团队联合复旦大学魏莹芬青年研究员，在《Science》发表最新研究，首次在原子尺度建立起化学有序与翻转动力学的直接关联。
一、原子尺度的偶极调制结构
研究团队利用球差校正透射电子显微镜（Cs-TEM）结合集成差分相位衬度扫描透射电子显微镜（iDPC-STEM）技术，沿 [112̄0] 晶带轴对 Al₀.₈₂Sc₀.₁₈N 薄膜的原子排布进行了高精度定量表征。
成像结果显示：沿极化方向（c 轴）的阴阳离子垂直间距 Δr 并非恒定，而是呈现周期性调制 —— 形成交替的原子偶极层。Sc 富集层间距较小（Δr₁），Sc 贫乏层间距较大（Δr₂）。
Al₀.₈₂Sc₀.₁₈N 薄膜中的周期性调制结构
这种调制源于 Al/Sc 原子在相邻层间能量有利的化学有序排列，且原子排布具有层分辨的不对称性。第一性原理计算证实，该不对称构型能量比对称分布低 5.41 meV/f.u.，在热力学上更稳定。
二、组分调控与宏观性能演变
结合宏观铁电性能测试（P-E 回线）与原子尺度 iDPC-STEM 成像，研究团队系统考察了 Sc 浓度（18%→30%）对材料性能的影响：
剩余极化强度（Pr）从～300 μC/cm² 降至～220 μC/cm²；
矫顽场（Ec）从 5.5 MV/cm 降至 4.2 MV/cm；
平均 Δr 值随 Sc 含量增加而减小，与极化强度下降定量吻合。
不同 Sc 组分的铁电特性与原子尺度结构起源
Sc 掺杂在宏观上降低了极化强度和翻转能垒，而其微观结构基础正是这种原子尺度的极化非均匀性。
三、原位捕获：非集体步进式翻转
为直接观察翻转动力学，团队采用原位透射电镜技术，以会聚电子束为激发源对晶粒施加局部电场，通过时间分辨 iDPC-STEM 成像实时追踪极化翻转全过程。
关键发现：极化翻转并非集体进行，而是以离散、步进的方式推进
部分晶胞先翻转，相邻晶胞进入中间瞬态（阴阳离子近乎共面）；
畴壁宽度约 0.5–2 nm，M - 极与 N - 极偶极子共存；
翻转过程伴随局域间距的反复涨落，呈现混沌、非单调路径。
这种非集体步进式翻转在 Sc 浓度低至 18% 时即可发生，突破了此前 "仅高 Sc 浓度才出现个体翻转" 的理论预测。
偏振切换过程的时间分辨原子尺度动力学研究。
四、成分不均匀性降低翻转能垒
结合神经网络势能计算与层分辨原子模型，研究团队从理论层面阐明了微观机制：
集体翻转路径能垒：0.38 eV/f.u.（Al₀.₇₅Sc₀.₂₅N）；
步进式非协调路径能垒：仅 0.14 eV/f.u.，约为集体路径的 1/3；
Sc 原子团簇引发的对称性破缺，创造多个低能垒瞬态中间态。
简言之：Sc 掺杂一方面缩短阴阳离子间距、压缩翻转路径；另一方面通过化学不均匀性制造多级中间态，让翻转从 "一步跨越高墙" 变成 "分步走下台阶"。
原子尺度能量分布及成分对AlScN中极化切换的影响。
五、研究意义
这项工作首次将原子尺度偶极结构与极化翻转动力学直接关联，颠覆了对强键合纤锌矿铁电体翻转机制的传统认知，为氮化物铁电材料的理性设计与性能优化提供了全新的原子级指导框架。
钧研实验室提供测试技术支持
本研究涉及的核心表征技术 ——球差校正透射电镜（STEM/TEM）、原位电学测试等，钧研实验室均可为科研同学提供专业技术支持。我们配备先进的球差电镜平台，可实现原子级高分辨成像、iDPC 相位衬度成像、元素 mapping 等多种表征需求，助力材料微观结构与机理研究。
有测试需求的同学欢迎联系钧研实验室，专业团队为您的科研保驾护航！
论文相关信息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aee9639。
