随着人工智能、物联网和大数据等新一代信息技术的飞速发展与广泛应用，全球数据量呈爆发式增长。然而，当前市场主流的存储器产品受限于物理极限、存储鸿沟和高功耗等问题，已难以应对未来海量数据的处理需求。在此背景下，开发具备大容量、高密度、低功耗和高读写速度的新型非易失性存储器，已成为全球科技前沿的迫切方向。

萤石结构HfO₂基铁电薄膜的发现，极大地推动了铁电随机存取存储器（FeRAM）和铁电场效应晶体管（FeFET）等下一代存储技术的发展。与钙钛矿铁电材料相比，HfO₂基铁电薄膜不仅与CMOS工艺高度兼容，还能够在亚纳米尺度下保持铁电性，为实现器件的高密度集成奠定了关键基础。

随着铁电器件持续向小型化发展，铁电畴壁（即分隔不同极化取向畴区的界面）及其动力学行为日益受到关注。畴壁不仅参与铁电畴的成核与生长过程，更直接影响器件的可靠性表现，如唤醒、疲劳与印记等现象。因此，深入理解铁电畴壁的动态行为，对开发高性能铁电存储器具有重要意义。然而，由于HfO₂基铁电体中同时存在两种不同的180°畴壁——由连续极性层构成的“软畴壁”和由交替非极性隔离层与极性层构成的“硬畴壁”，二者共存可能表现出复杂的各向异性行为，使得从根本上理解畴壁在畴动力学和极化翻转中的作用仍面临巨大挑战。

近日，英国上市公司365周益春教授课题组构建了考虑畴壁各向异性的相场模型，通过相场模拟实现了外延Hf_0.5Zr_0.5O₂（HZO）薄膜中时间分辨的各向异性180°畴壁迁移行为与极化翻转过程的可视化。该研究揭示：（i）畴壁迁移具有明显的方向依赖性；（ii）软畴壁发生迁移所需的临界电场远低于硬畴壁；（iii）在180°畴翻转过程中，软畴壁的迁移速度比硬畴壁快约一个数量级。其原因在于软畴壁的迁移能垒比硬畴壁低一个数量级，同时也显著低于畴成核能垒。此外，研究还发现180°极化翻转是一个受具有高迁移能垒的硬畴壁约束的、以成核为主导的过程。该工作不仅深化了对各向异性180°畴壁在HfO₂基铁电薄膜中动力学行为的理解，也为后续的畴壁工程与高性能铁电存储器的开发提供了理论支撑。相关研究成果以“Dynamics of anisotropic 180° domain walls in HfO₂-based ferroelectric thin films via phase-field simulations”为题，发表于材料领域知名期刊《Acta Materialia》（2024年影响因子9.3），https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121527。

图1a-c展示了HZO正交相及两种畴壁的原子结构示意图。沿x方向，极性层连续分布形成“软畴壁”，而在y方向，极性层与非极性隔离层交替排列，形成“硬畴壁”。通过相场模拟（图1e），研究团队发现“软畴壁”处的极化强度变化具有扩散特性，其宽度约0.87 nm；而“硬畴壁”处极化强度的变化表现为突变特性，其宽度仅0.42 nm。这两种180°畴壁在宽度和畴间相互作用方面展现出显著的各向异性特征。

图1. HZO薄膜各向异性180°畴壁的原子结构示意图以及相场模拟得到的极化强度在畴壁处的分布。

研究团队进一步通过相场模拟揭示了各向异性畴壁对180°畴翻转的影响。通过对比“软畴壁”与“硬畴壁”迁移所需的演化时间步数，结果表明：在电场驱动下，“软畴壁”沿x方向的迁移速度比“硬畴壁”沿y方向快约一个数量级(图2)，导致极化翻转呈现明显的方向依赖性；反向成核的畴区优先沿x轴扩展形成条带状畴结构，随后硬畴壁才开始迁移，共同完成整个翻转过程。该发现明确了不同畴壁动力学特性对极化翻转速度的关键影响，为设计高性能铁电存储器提供了重要指导。

图2. 各向异性180°畴壁在外电场下的演化行为。

为揭示各向异性畴壁的迁移机制，研究团队通过相场模拟定量分析了不同方向畴壁的迁移能垒，如图3所示。结果表明，软畴壁的迁移能垒（2.1×10⁵ J/m³）远低于硬畴壁（2.39×10⁶ J/m³），两者相差近10倍，与第一性原理计算趋势一致。这一能垒差异解释了软畴壁迁移速度更快、所需临界电场更低的现象。

图3. 各向异性180°畴壁的迁移能垒。

进一步地，研究团队通过分析迁移过程中的极化演变（图4），揭示了软、硬畴壁能垒差异的关键机制：硬畴壁处的反向极化需在更强电场下被抑制才能启动迁移，导致其能垒更高、稳定性更强，对外界干扰敏感性较低。该发现表明硬畴壁具有优异的抗扰动能力，且其迁移往往需经历“软化”转变，为进一步设计高稳定性的铁电存储器提供了重要理论基础。

图4. 各向异性180°畴壁的迁移过程。

为深入探究各向异性畴壁对极化翻转机制的影响，研究团队通过相场模拟对外延HZO薄膜的极化翻转过程进行了时间分辨的动态观测，如图5所示。研究发现，180°极化翻转是一个以成核为主导的过程，成核等待时间占总翻转时长的93%。尽管软畴壁因其较低迁移能垒可促进畴区沿x轴横向扩展，但整个翻转过程仍受迁移能垒较高的硬畴壁主导。这一发现揭示了极化翻转的核心机制，并为今后优化铁电存储器性能提供了关键理论依据。

图5. HZO铁电薄膜中180°畴翻转动态过程的可视化及极化翻转机制。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121527