铁电材料的大规模应用源自钙钛矿结构钛酸钡铁电体的发现，直到今日钙钛矿铁电体仍然是无机铁电体中的主流。然而，在微纳电子应用中，与 CMOS 工艺更兼容的铪基铁电薄膜逐渐成为研究热点。 所谓铪基铁电材料是指掺杂的二氧化铪，或者 Hf0.5 Zr0.5 O2 ，最初是在 2011 年发现具有铁电性，并归之于一种 Pca 21 正交相。尽管在应用上非常重要，二氧化铪为什么可以具有铁电性却是一个难解之谜，因为它缺少传统上的无机铁电材料基因。
2023 年，华中科技大学 薛堪豪 缪向水 团队 4+ 或 Zr4+ 的半径不足够大，无法稳定支撑萤石结构框架下的周围八个氧离子，导致阳离子出现七配位的特殊情况，留下了氧离子腾挪的空间，而这就是其铁电性的基本基因。然而，这类铁电体目前实验上仅有铪基一类材料，很难区分二氧化铪铁电性的共性和特性。如果没有其它类似铁电材料参比，就难免落入“只在此山中，云深不知处”的境地。 为此，该团队先采用材料基因学的方法预测了一系列二元和三元类铪基铁电材料。并以一系列 Pca 21 相材料为样本，详细研究了各种材料中各种可能的极化反转路径，得到了比较惊人的结论。
如图所示各路径中，虽然二氧化铪偏向于路径-4 或路径-6，但绝大部分其余材料都以路径-5 为优选。具体而言，路径-4 与路径-6 都是阳离子先形成八配位的中间态，然后再断裂一条化学键，所以阳离子配位数的变化过程是 7-8-7。路径-5 则是要求先断裂一条化学键，再形成新的化学键，阳离子配位数的变化过程是 7-6-7。由此可见，正常的路径-5 主要可由静电能来解释，因为靠得很近的阴离子之间会有更大的斥力。以离子键模型的视角来看，先断键后成键是有利的，并且两者时间上存在交叠，可以实现静电补偿。然而，铪基铁电材料的化学键有很强的共价成分，不易断裂，也难以被补偿。除非阳离子周围先形成第八条化学键，使得现有的键不再稳定，最后才能实现断键。可见，铪基铁电材料的特殊性在于其强共价键成分，但它同时又有很强的离子性，否则阳离子配位数不会高达 7。 不仅如此，论文还根据配位数理论，将纤锌矿铁电体、钙钛矿铁电体、萤石类（铪基）铁电体分别划为五配位铁电体、六配位铁电体、七配位铁电体。研究表明，五配位铁电体、六配位铁电体都有离子被限制在笼中的特点，但是萤石类铁电体中的阴离子可以脱出笼子，导致各种可能的极化反转路径。因此，铪基铁电材料在整个无机铁电材料中也是极其特殊的。 论文对如何在无机铁电体的大框架下理解铪基铁电性提供了全新的视角。 该成果以 “Unique switching mode of HfO2 among fluorite-type ferroelectric candidates” 为题，发表在英国皇家化学会期刊 Journal of Materials Chemistry C 上，并入选为 hot article 。 Unique switching mode of HfO2 among fluorite-type ferroelectric candidates
Ge-Qi Mao, Heng Yu, Kan-Hao Xue*, Jinhai Huang, Zijian Zhou and Xiangshui Miao
J. Mater. Chem. C 10.1039/D4TC02418D
本文通讯作者，华中科技大学集成电路学院教授，国家级青年人才。本科与硕士分别毕业于清华大学电子工程系与清华大学微电子学研究所，荣获 2007 年清华大学优秀硕士毕业生。2010 年取得美国科罗拉多大学博士学位。博士阶段关于 NiO 关联电子存储器的工作被国际半导体技术路线图（ITRS）引用，列为 Mott 存储器的一种原型。在 Science , Nature Communications , Physical Review Letters 等国际期刊上发表论文 148 篇，其中一作、通讯发表 79 篇。在 VLSI、IEDM 会议上发表论文 4 篇，其中通讯作者 2 篇。主持国家重点研发计划课题1项、基金委面上项目 2 项。研究领域主要包括半导体能带计算方法、基于二氧化铪的微纳电子器件等。2018 年提出的 shell DFT-1/2 半导体能带计算方法已被 WIEN2k、QuantumATK 等著名密度泛函软件包采用，被 Synopsys 公司认为具有更好的带隙精度。2023 年提出了铪基铁电成因的七配位理论。
Materials with applications in optical, magnetic & electronic devices 2-年影响因子* 5.7 分 5-年影响因子* 6.0 分 JCR 分区* Q1 物理-应用Q2 材料科学-跨学科 CiteScore 分† 10.8 分 中位一审周期‡ 29 天
Journal of Materials Chemistry A 、B 和 C 报道材料化学各领域的高质量理论或实验研究工作。这三本期刊发表的论文侧重于报道对材料及其性质的新理解、材料的新应用以及材料合成的新方法。Journal of Materials Chemistry A 、B 和 C 的区别在于所报道材料的不同预期用途。粗略的划分是，Journal of Materials Chemistry A 报道材料在能源和可持续性方面的应用，Journal of Materials Chemistry B 报道材料在生物学和医学方面的应用，Journal of Materials Chemistry C 报道材料在光学、磁学和电子设备方面的应用。
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* 2023 Journal Citation Reports (Clarivate, 2024)
† CiteScore 2023 by Elsevier
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