传统晶体管小型化进程中面临的“功耗墙”问题难以克服，摩尔定律面临终结，迫切需要寻求器件结构和机理的变革。铁电材料的负电容效应有望克服玻尔兹曼电子分布限制，推动功耗继续降低。然而，由于负电容效应具有瞬态性和不稳定性，探究其背后的铁电畴动力学机制十分困难，导致畴动力学与负电容之间的关联机制仍不明确。
中山大学物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室张溢副教授课题组采用原位透射电子显微镜和脉冲测试技术结合的高时空分辨表征技术(图1)，揭示了单层铁电体和铁电/介电异质结薄膜中的负电容效应与畴动力学的关联机制，为基于铁电畴动力学设计低功耗负电容器件提供了参考。
图1 基于高时空分辨表征技术观测负电容效应
研究人员首先研究了单层铁电体和铁电/介电异质结中的铁电畴翻转模式，发现单层铁电材料中的铁电畴翻转具有形核、纵向生长和畴壁运动三个特征阶段(图2)，其中铁电畴的形核与纵向生长对负电容的贡献显著高于畴壁运动。由于界面电荷对铁电畴翻转的辅助作用，铁电/介电异质结构中的铁电畴翻转则表现为快速且均匀的朗道式翻转，并且具有增强的负电容效应(图3)。通过结合宏观脉冲测试结果分析发现，铁电/介电异质结的极化翻转速率比单层铁电体快数十倍，并且负电容效应的强度大、回滞小。基于此，有望开发高速、无回滞的超低功耗负电容器件。
图2 单层铁电和铁电/介电异质结薄膜中的铁电畴动力学: (a) 结构示意图；(b、c) 分别为单层铁电和铁电/介电异质结薄膜中铁电畴翻转行为；(d) 单层铁电体中畴翻转诱导的电荷注入示意图；(e) 铁电/介电异质结中界面电荷辅助极化翻转的示意图；(f、g) 外电场作用下能量势垒变化的示意图。
图3 铁电/介电异质结负电容效应与畴动力学的宏微观测试结果：(a) 瞬态电压降和积分电荷曲线；(b) 不同时刻的TEM暗场像；(c、d)异质结电容器的极化翻转电流曲线和回滞特性(宏观脉冲测试)；(e) 单层铁电与异质结电容器的极化翻转速率对比。
相关研究成果于2025年6月9日以“Direct Observation of Ferroelectric Domain Switching Dynamics Under Negative Capacitance Conditions via In Situ Transmission Electron Microscope”为题发表在国际知名期刊《ACS Nano》上，并被选为该杂志的封面文章。中山大学为该成果的第一署名单位，物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室郑跃教授与张溢副教授为论文通讯作者，博士研究生吴祎玮和阳辉为共同第一作者，湖南科技大学谭丛兵副教授和中山大学陈伟津教授分别为该工作提供了实验和理论方面的支持。该工作在团队发展的高时空分辨原位透射电镜表征系统上完成，前期研究成果发表在国际知名期刊《Nano Letters》上(Nano Lett. 2024, 24, 24:7424-7431)，已申请中国国家发明专利2项(公开号：CN116678903A、CN118569328A)。研究工作得到了国家自然科学基金、广东省磁电物性分析与器件重点实验室、广东省磁电物性基础学科研究中心和中山大学分析测试中心的大力支持。
