在国家自然科学基金等项目资助下，中国科学院东莞材料科学与技术研究所、松山湖材料实验室与西安电子科技大学等组成的研究团队，在铪基超晶格薄膜结构相变机制研究方面取得重要进展。相关成果3月31日在线发表于《自然-通讯》。

基于二氧化铪的铁电材料因与CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺兼容且具备纳米尺度的强铁电性而备受关注。然而，其铁电相（亚稳正交相）在常温常压下极不稳定，易转变为单斜相或四方相，导致薄膜多为多晶多相结构，严重制约了器件的稳定性和性能。因此，阐明铪基薄膜中的复杂相变行为并揭示其相变机制，对实现铁电相的稳定设计至关重要。

现有研究多聚焦于相变过程中阳离子晶格的剪切行为，忽视了决定极化性能的关键阴离子（氧离子）在相变中的作用，导致正交相与单斜相、四方相等相变的结构机制仍存在诸多争议。此外，相关研究分散于多晶薄膜、纳米晶等不同材料体系中，掺杂、界面及比表面积等体系差异使结论各不相同，缺乏对相变行为的统一理解。因此，系统揭示二氧化铪基薄膜中复杂相变行为及其结构机制，成为稳定亚稳态铁电相、优化器件性能的关键科学问题。

该研究通过构筑简化的模型体系——铪基超晶格单晶薄膜，排除了传统多晶薄膜中复杂界面对相变过程的干扰，并利用像差校正透射电子显微镜开展原位电子束辐照实验，系统研究了铪基薄膜中的多种相变行为，在亚埃尺度上逐步揭示了诱导相变的异步亚晶格畸变机制。值得注意的是，初始正交相的极化方向决定了相变发生的路径：向单斜相转变还是向四方相转变。其中，正交相与不同取向单斜相之间发生相变时，需要不同的激活条件，并产生不同的离子位移畸变行为。与上述相变过程中阳离子、阴离子择优异步畸变不同，正交相的极性与反极性变量间的相互转变仅需氧离子亚晶格的位移畸变即可诱导极化翻转。

论文通讯作者、中国科学院东莞材料科学与技术研究所/松山湖材料实验室研究员马秀良表示，该工作系统阐明了铪基材料中结构相变的核心机制，解决了此前存在的诸多争议，为设计高性能铪基电子器件提供了关键结构信息。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-026-71265-7