文章 | Liu H, Huang HY, Yu H et al. Vacancy oscillating mode in amorphous binary oxide film by terah ertz t i me d omai n spectroscopy. Opto-Electron A dv 9, 250217 (2026).

第一作者：刘欢、黄海云

通信作者：刘海云、薛堪豪、刘艳

研究背景

随着大数据 ，云计算 ，人工智能等新兴信息技术发展 ，海量数据存储与处理对存储器件提出了更高要求。新型非易失存储器件被认为是存算架构的重要基础 ，其中 ，铁电随机存储器（FeRAM）和阻变随机存储器（RRAM） 因兼具低功耗和CMOS兼容性而受到广泛关注。以HfO2与ZrO2为代表的二元氧化物不仅作为高κ栅介质在工业中应用广泛 ，更因展现出可控的铁电性和阻变特性而备受青睐 。与此同时， 随着技术节点突破5 nm极限 ，越来越多的研究发现 ，非晶二元氧化物薄膜（厚度可降至1 nm） 中同样可观测到明显的类铁电特性。铁电性、 阻变特性和类铁电现象虽然物理起源不同 ，但研究普遍认为氧空位在其中起到关键作用。在超薄非晶氧化物中 ，氧空位相关的可逆迁移形成偶极子可能成为极化产生的来源。 因此 ，研究氧空位的分布及其动力学行为有助于探究非晶氧化物类铁电物理机制。然而， 由于非晶结构缺乏长程有序性 ，氧空位难以通过传统结构表征技术直接观测 ，其在极化过程中所扮演的微观角色至今仍缺乏直接实验依据。

太赫兹时域光谱（THz-TDS） 为这一难题提供了新思路。太赫兹波对应的能量尺度只有几个到几十毫电子伏 ，恰好接近离子跃迁、局域振动和缺陷相关低能激发的典型能量范围。通过测量材料对太赫兹波的吸收与传输 ，可以间接探测氧空位引起的局域态和离子振荡模式 ，从而获得传统低频阻抗谱无法直接提供的“微观迁移能”信息。

研究内容

在此背景下 ，西安电子科技大学、 北京量子信息科学研究院和华中科技大学联合团队提出利用THz-TDS直接探测非晶氧化物中氧空位的振荡模式 ，揭示氧空位迁移与极化特性之间的内在联系。研究团队通过太赫兹时域光谱技术展示了非晶ZrO2薄膜中的空位振荡模式 ，探究了其在离子电导率中的重要意义。研究人员结合太赫兹时域光谱、红外反射谱， 以及第一性原理密度泛函理论（DFT） 计算 ，通过改变氧空位浓度 ，研究了晶态和非晶ZrO2薄膜的光学吸收和反射光谱。实验结果表明 ，薄膜中的氧空位迁移（而非其本征的顺电性质） 显著影响了ZrO2薄膜的电导率和极化行为 。值得注意的是， 除了在11 THz附近由声子模式诱导产生的明显吸收峰之外 ，在1 ~2 THz范围内还观察到了额外的吸收峰 ，这些峰是由氧空位产生的局域态所引起 ，并得到了DFT计算的验证。 同时该研究系统阐明了氧空位浓度、环境温度对离子电导率、光学吸收特性的调控规律 ，揭示了空位振荡模式的物理本质 。 DFT计算进一步揭示了氧空位如何改变红外吸收和光学模式 ，导致现有吸收峰发生偏移或产生新的吸收峰。研究完善了非晶类铁电材料的理论认知和基础物理体系。

图1 不同氧浓度下的THz-TDS测量结果 。 (a) 晶态氧化锆低氧浓度样品和高氧浓度样品的温度相关吸收峰行为； (b) 非晶氧化锆低氧浓度样品和高氧浓度样品的温度相关吸收峰行为； (c) 晶态氧化锆低氧浓度样品薄膜中部的HAADF图像； (d) 经对比度反转处理的dDPC图像； (e) 从 (d)中截取区域放大视图 ，在氧空位缺陷位置处 ，伪彩色图像中的电荷强度分布由原本的“拖尾状 ”逐渐转变为“点状 ”特征； (f) 沿 (d)中虚线和高亮实线所示对应区域获得的线扫描剖面结果 ，可以清晰地观察到阴离子位点处电荷密度的周期性变化

图2 红外光谱实验与第一性原理计算揭示氧空位对ZrO2振动模式的影响 。 (a) 非晶和晶态ZrO2样品的红外反射光谱； (b) DFT计算得到的本征ZrO2中红外吸收谱； (c) 含单个氧空位的ZrO 1.97（Zr32O63） 结构的红外吸收谱； (d) 含两个氧空位的ZrO 1.94（Zr32O62）结构的红外吸收谱

从应用角度来看 ，该成果为下一代超低功耗非易失存储器的发展提供了新的技术路线。由于非晶二元氧化物能够通过低温原子层沉积（ALD） 工艺直接制备 ，无需传统高温晶化过程， 因此具有优异的CMOS兼容性和后端集成潜力。该策略有望突破先进工艺节点中等效氧化层厚度（EOT） 缩减和热预算受限等关键挑战 ，为未来高密度存储器、神经形态计算芯片 ，以及存算一体系统提供新的材料体系。

后续还需要继续优化太赫兹表征系统，实现电场、应力等多外场下的原位动态观测，厘清调控氧空位浓度与分布规律，开发性能更优异的新型氧化物类铁电薄膜材料。

该 工 作 以 “Vacancy oscillating mode in amorphous binary oxide film by terahertz time domain spectroscopy” 为 题 发 表 在 Opto-Electronic Advances 2026年第6期。

研究团队简介

刘 海 云 ， 北 京 量 子 信 息 科 学 研 究 院 超 快 光 谱 学 团 队 副 研 究 员 。 作 为 通 讯 作 者 在 Physical Review Letters、 Nano Letters、 Optics Express、 Info Mat等权威期刊发表 SCI 论文 13篇。 团队依托全频段超快光谱平台 ， 围绕可见-红外-太赫兹波段开展量子物态研究 ：解析载流子动力学与强弱耦合光-物质作用机制 ，探究超快光子对量子材料的调控规律 ，研发超快光电子器件； 重点研究低维材料激子极化激元激射 、 室温玻色-爱因斯坦凝聚 ， 推动其在量子光学、二维量子模拟器领域的应用。

薛堪豪 ， 华中科技大学集成电路学院教授 ， 国家级青年人才 。在Physical Review Letters等国际期刊上发表论文170余篇 ， 其中一作 、 通讯发表90余篇 。 主持国家重点研发计划课题 、国家自然科学基金项目3项 ， 以及华为 、 高德红外等公司横向项目 。入选爱思唯尔全球前2%顶尖科学家榜单 。 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。

刘艳 ， 西安电子科技大学微电子学院教授 ， 国家级高层次人才 。 长期从事新型半导体功能器件方面的研究 ，在微纳光子器件 、后摩尔微电子新器件 ， 以及光电融合和集成方面进行了大量开拓性研究 。 现承担国家自然科学基金重大研究计划项目和重大项目 、科技部重点研发项目等多项研究项目 。 在IEDM、 IEEE EDL、 Optics Express、 Laser & Photonics Reviews等微电子与光电主流会议和期刊上发表论文150多篇 ， 申请专利50多项 ，作各类邀请报告10余次。

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