合金化和应变工程协同调控AlScN的铁电压电性

AlScN是一种极具前景的新型铁电材料，具有优异的高温稳定性和CMOS兼容性，使其成为5G射频前端滤波器、下一代功率器件、存储器和新兴内存计算器件的潜在候选材料。然而，相对较低的压电系数和巨大的矫顽场仍然是其广泛应用的关键瓶颈。

为了对优化AlScN性能提供理论指导和有效策略，本团队提出了一种基于合金化和应变工程的协同调控策略，并使用密度泛函理论进行第一性原理计算，以研究钪浓度和外延拉伸应变对AlScN性质的影响。所提出的策略可以显著提高压电应变系数（d₃₃ > 300 p/CN）和机电耦合系数（~ 55%），同时降低其矫顽场，并保持较大的极化（P_sp > 68 μC/cm^-2）。d₃₃和机电耦合系数的大幅增加对于优化射频应用中声表面波谐振器的性能非常有利。同时，E_C的降低为低功耗铁电存储设备，如铁电随机存取存储器和内存计算突触器件提供了新的机会。此外，该研究通过从头算分子动力学模拟研究了应变工程AlN基压电/铁电材料的高温稳定性。

图1 合金化和应变工程协同调控AlScN性能的示意图

该研究成果以“Strain Engineering Boosts Piezo-/Ferroelectricity in AlScN Alloy: Insights from First-Principles Calculations”为题发表于国际权威期刊《Chemistry of Materials》上。西安交通大学刘增辉副教授、牛刚教授、李璟睿特聘研究员为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、西安交通大学高性能计算平台和国家超算西安中心的支持。

图文介绍：

图2 合金化和应变工程作用下弹性常数C₃₃的演化。纵向弹性常数C₃₃的计算结果表明，应变工程和合金化协同调控作用有助于降低AlScN的弹性常数C₃₃。

图3 纯AlN和AlScN的电子局域化函数（ELF）和晶体轨道有效哈密顿布居（COHP）结果对比。通过电子局域化函数（ELF）和晶体轨道有效哈密顿布居（COHP）的计算阐明了弹性系数减小的微观机制，即无论是合金化还是外延拉伸应变，都会引起c轴方向上金属-N键的强度降低。

图4 Born有效电荷、压电应力系数、压电应变系数和机电耦合系数随着合金化和应变工程协同调控的演化。在协同调控作用下，压电系数d₃₃和机电耦合系数的显著增大一方面来源于弹性软化，另一方面源于Born有效电荷的持续增强。

图5 (a) NEB计算过程示意图，显示了具有七种中间状态的极化翻转路径。（b）AlScN在Sc合金化和施加的双轴拉伸应变下极化翻转势垒的演化。通过过渡态表现的极化翻转势垒降低表明，协同调控作用有助于降低AlScN的矫顽场。

论文信息

Strain Engineering Boosts Piezo-/Ferroelectricity in AlScN Alloy: Insights from First-Principles Calculations

Zenghui Liu, Zhenjun Shao, Yunjian Cao, Hao Li, Lin Yang, Hangyu Zhou, Jun Xu, Jingrui Li, Gang Niu, Wei Ren, and Zuo-Guang Ye

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.5c01383