（通讯员 陈涛）随着人工智能、存算一体以及大规模数据处理需求的持续发展，信息存储器发展对材料性能提出了更高要求：既需要在纳米尺度实现高集成度与低功耗，同时也希望在更大尺度下保持稳定性能与功能拓展能力。兼具优良CMOS工艺兼容性的氧化铪(HfO2)基铁电材料因此受到广泛关注，被认为是新一代铁电器件的重要候选体系之一。
HfO2基铁电材料表现出典型的“反尺寸效应”，即随着薄膜厚度减小，其极性正交相(PO相)更容易稳定，铁电性逐渐增强，这一特性为高密度非易失存储器的发展提供了重要基础。然而，随着厚度增加，体系更倾向于转变为非极性的单斜相(M相)，从而使铁电性能逐渐减弱。HfO2基铁电材料虽然适合超薄器件微缩，但很难兼顾更大厚度下所需的稳定极化输出和更强功能扩展，这在很大程度上限制了其在高可靠铁电存储、存算一体芯片以及高容量功能器件中的进一步应用。
近年来，实验研究表明，钇掺杂HfO2(Y:HfO2)在从纳米级薄膜到微米尺度甚至块体材料范围内均可保持稳定铁电性，呈现出“无厚度限制铁电行为”。这一现象为拓展HfO2基铁电材料的应用边界提供了新的可能，但其内在物理机制仍有待进一步系统阐明。
针对上述问题，a片动画
周益春教授团队基于第一性原理计算，构建了涵盖缺陷、应变、电场及表面能等因素的多物理场场协同调控模型，量化了各因素对相稳定性的贡献，深入揭示了Y:HfO2中铁电相稳定的微观机制。研究表明，Y杂质原子与四配位氧空位(Y+VO4)形成的复合缺陷对是实现铁电相稳定的核心因素(图1)。该复合缺陷通过电荷补偿与局域晶格弛豫的协同作用，显著降低极化正交相的形成能，并有效缓解其稳定所需的应变条件。
进一步研究表明，在缺陷、应变和电场的协同作用下，PO相的稳定区间得到明显拓展，使其能够在更宽的外部条件范围内保持稳定(图2和图3)。Y+VO4复合缺陷不仅影响单一物理量，而是在多场耦合作用中提供了有利的结构与能量调节路径，从而增强了铁电相的整体稳定性。
此外，研究进一步揭示了表面能在厚度调控中的关键作用，结果显示在（001）取向表面上，Y+VO4缺陷可显著降低PO相表面能，并扩展其在不同厚度范围内的稳定区域(图4)。这表明，表面能与缺陷结构之间的协同作用在调控铁电性跨尺度稳定方面具有重要作用，有助于提升材料的临界厚度范围。
综合上述结果可以看出，Y:HfO2中铁电性的稳定并非由单一因素决定，而是来源于复合缺陷、外加应变、电场以及表面效应之间的协同作用。该研究不仅从理论上澄清了Y:HfO2独特的尺寸稳定性来源，为理解“无厚度限制铁电性”提供了较为系统的物理解释，也为通过缺陷工程与多场调控策略优化HfO2基铁电材料性能提供了理论依据，更为实现从纳米级芯片到微米级大容量存储器件的全兼容制备提供了理论基础。
相关成果以“From Ultrathin to Bulk: Decoding Thickness-Unrestricted Ferroelectricity in Y:HfO2 via First-Principles” (DOI: 10.1038/s41524-026-02046-5)为题最近在线发表在国际材料领域著名学术期刊npj Computational Materials期刊上(2026年影响因子为11.9)。a片动画
博士生黄瑾为论文第一作者，周益春教授与廖佳佳副教授为共同通讯作者，a片动画
为第一完成单位。研究工作依托陕西省空天高电子轨道材料与防护技术重点实验室等平台，受到国家自然科学基金、国家重点研发计划等基金支持。
原文链接://www.nature.com/articles/s41524-026-02046-5
图1 缺陷类型的影响。(a) 本征HfO2和含缺陷超胞的晶体结构示意图；不同缺陷体系相对于M相参考相的能量差随掺杂浓度变化情况：(b) Y掺杂; (c) 三配位氧空位VO3体系；(d) 四配位氧空位VO4体系；(e) Y杂质原子与三配位氧空位复合缺陷Y+VO3体系；(f) Y杂质原子与四配位氧空位复合缺陷Y+VO4体系；(g) 不同缺陷类型下PO相和T相的最小能量差值。
图2 双轴应变下含Y+VO4复合缺陷体系的相稳定性分布。在不同浓度复合缺陷体系中的能量对比：(a) 2.08 f.u.%; (b) 4.17 f.u.%.; (c) 8.33 f.u.%; (d) 12.5 f.u.%; (e) 25 f.u.%; (f) 双轴应变-掺杂浓度相图分布。
图3 施加电场和双轴应变下含Y+VO4复合缺陷体系的相稳定性分布。在不同浓度复合缺陷体系中的能量对比：(a) 0；(b) 3.13 f.u.%; (c) 6.25 f.u.%; (d) 电场-双轴应变-掺杂浓度相图分布。
图4 基于含表面能的亥姆霍兹模型和相稳定性分布。(a) 本征HfO2三相不同表面取向的表面能；本征HfO2在特定取向下考虑表面效应的自由能变化，表面取向分别为：(b) (001)面; (c) (010)面；(d) (100) 面；(e) (111) 面；对应(001)面不同掺杂体系中考虑表面效应的自由能变化，相应的掺杂浓度分别为：(f) x(Y) = 3.13 f.u.%; (g) x(Y) = 6.25 f.u.%; (h) x(Y+VO4) = 3.13 f.u.%; (i) x(Y+VO4) = 6.25 f.u.%。
