近日，中国科学院东莞材料科学与技术研究所联合松山湖材料实验室、中国科学院物理研究所、浙江大学等单位，将铁电全闭合结构引入铁电场效应晶体管阵列，实现了非易失性信息的可逆写入与擦除，为高性能、低功耗新型存储器件提供了新思路。相关成果以“Creation of ferroelectric flux-closure transistor array for non-volatile field-effect memory”为题发表于《Nature Communications》。
集成电路正朝着高密度、低功耗、高可靠性加速演进，传统存储器在微缩、能耗和集成度上逐渐触到天花板。铁电场效应晶体管(FeFET)靠铁电材料的自发极化来调控沟道电导，天生具备非易失存储和非破坏读取的优势，被视为下一代存储的有力候选。但传统铁电薄膜里畴结构复杂、漏电流难抑，衬底又会“锁住”极化构型，导致铁电本身的物理红利很难变成稳定可量产的器件性能。铁电全闭合结构是一种特殊极化拓扑：局域极化首尾相接、形成闭合回路，能显著削弱退极化场，兼顾低功耗、稳定性和可调性。难点在于——一旦解除衬底约束，如何保住均一的通量闭合，并把它真正塞进晶体管阵列里用起来。
为破解“脱衬底后通量闭合结构易乱”的难题，团队设计了SrTiO3(STO)/PbTiO3(PTO)超薄铁电多层膜，并借助水溶性牺牲层把薄膜从生长衬底上“揭下来”，得到可独立存在的均一通量闭合薄膜(图1)。原子分辨STEM、差分相位衬度成像和同步辐射X射线衍射共同证明：脱离衬底后，薄膜依然保留有序的通量闭合阵列，而没有传统铁电膜里那些杂乱的铁弹性畴。相场模拟进一步给出答案：去掉衬底“管束”后，薄膜面内弹性应变大幅释放，极化自行重排，在弹性能与静电能之间找到新平衡，从而把闭合构型“锁”住(图2)。这说明：铁电全闭合结构不只是“被衬底逼出来的”，也可以靠材料自身的极化自组织稳定存在——拓扑极化结构走向器件集成，有了更硬的物理支撑。
进而，研究团队将独立铁电通量闭合薄膜与单层MoS2沟道集成，构筑铁电拓扑FeFET阵列。该器件存储窗口达7 V(归一化0.43 V/nm)，开关电流比108，数据保持时间约10年，耐受108次开关循环(图3、图4)；阵列级实验可实现指定单元的可逆写擦，证实了非易失存储架构的可扩展性(图5)。在柔性场景下，器件经2000次弯曲后仍保持近108开关比与>7 V存储窗口，展现柔性存储潜力；基于同一致密极化构型的铁电电容器则可承受1010次循环，显示出通量闭合结构在高可靠器件中的集成优势。
该工作将铁电通量闭合拓扑从基础物理研究推进至阵列级器件验证，确立了极化拓扑构型、半导体沟道输运与非易失存储行为之间的定量关联。成果不仅揭示了独立铁电薄膜中通量闭合结构的稳定机制，也为低功耗、柔性化非易失存储器件提供了可集成的技术路径。
论文共同第一作者为宫风辉、张颂歌，通讯作者为李娜、马秀良。该研究得到国家自然科学基金、国家重大科技专项、广东省量子科学重大专项等项目的支持。
图1. 无支撑条件下通量全闭合薄膜的制备。a，生长在衬底上的多层薄膜的截面暗场图像。下方插图展示V型、H型和I型通量闭合结构。比例尺：10 nm。b，从a图中橙色虚线框区域提取的极化分布图。c，转移至带孔碳膜TEM网格上的无支撑薄膜的平面高角环形暗场扫描透射电子显微镜图像。d，无支撑薄膜的平面欠焦STEM图像，显示沿[100]和[010]方向广泛分布的通量闭合结构。比例尺：100 nm。e，微分相位衬度(DPC)图像，显示相邻通量闭合管的电场方向相反。f，在PDMS机械支撑下释放出的多层薄膜的光学显微图像。g、h，释放的多层薄膜旋转90°前后的001倒易空间图。
图2. 相场计算揭示无支撑条件下通量全闭合的形成机制。a、b，分别为受衬底应变约束的多层薄膜和自由支撑多层薄膜中的极化分布；两种情况下均可形成通量闭合构型。c–e，模拟中识别出的典型通量闭合形态：V型、H型和I型。f，两种不同边界条件下通量闭合结构各项相对能量密度的贡献，包括弹性能、电能、Landau能和梯度能。橙色和紫色分别表示受应变约束状态和自由支撑状态。比例尺：4 nm。
图3. 通量全闭合基电容器的电学特性。a、b，不同自由支撑薄膜的压电响应力显微镜振幅–电压蝴蝶回线和相位–电压滞回回线。所有薄膜均转移至Si/SiO2衬底后进行表征。c，Au/STO7/PTO30/STO7/Au电容器的光学图像。d，Au/STO7/PTO30/STO7/Au、Au/STO14/PTO30/Au和Au/PTO44/Au电容器的漏电流与击穿场强。e，采用PUND测量方法得到的Au/STO7/PTO30/STO7/Au电容器极化–电压曲线。f，极化数据比较图。g，电容器的耐久性。h，统计的30个器件的矫顽电场和剩余极化强度。i，剩余极化和矫顽电压对比图。
图4. 通量全闭合基铁电场效应晶体管的电学特性。a，FeFET的光学图像。b，全闭合基FeFET的转移曲线。c，提取的开态和关态电流随脉冲宽度的变化。LRS和HRS分别表示低电阻态和高电阻态。d、e，全闭合基FeFET的数据保持特性和耐久性。f，与其它FeFET的归一化存储窗口和开关比对比图。
图5. 通量全闭合基铁电场效应晶体管阵列的信息存储特性。a–c，不同放大倍率下FeFET阵列的扫描电子显微镜图像。d，150个FeFET器件的统计结果。e，图d中器件的阈值电压、存储窗口和开关比的分布。f，选择性写入操作后FeFET阵列的电流分布图，显示已存储的BACEM图案。g，擦除操作后同一阵列的电流分布图。
来源：大湾区显微科学与技术研究部
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