近期我院新型高性能材料团队在铪基铁电薄膜研究中取得进展，利用第一性原理计算的方式研究了氧化铪薄膜的相变行为、缺陷间的相互作用，以及掺杂方法等问题。相关工作已经有2篇发表在《Applied Physics Letters》上，1篇发表在《Journal of Applied Physics》上，1篇发表在《Journal of Solid State Chemistry》上。这些工作获得国家自然科学基金的资助。
论文1题目：Effective control of oxygen defects by co-doping of ferroelectric HfO2
论文1链接：https://doi.org/10.1063/5.0166230
论文2题目：Improvement of ferroelectric phase fraction in HfO2 via La-containing co-doping method
论文2链接：https://doi.org/10.1063/5.0190459
论文3题目：Phase fraction of ferroelectric Hf0.5Zr0.5O2 film regulated by the co-action of Ce doping and oxygen defects: First principles study
论文3链接：https://doi.org/10.1063/5.0164147
论文4题目：Effect of Ce doping on ferroelectric HfO2 from first-principles: Implications for ferroelectric thin films and phase regulation
论文4链接：https://doi.org/10.1016/j.jssc.2023.124316
作者：田雨水（硕士生）、周宇璐（助理教授）、赵妙（副研究员）、欧阳义芳（教授）、陶小马*（通讯作者）
氧化铪（HfO2）是一种新型的铁电材料，由于它能够在较低薄膜厚度下维持较强的铁电性，而有望打破传统钙钛矿基铁电材料的尺寸限制；并且也与传统的CMOS工艺相兼容，因此受到了广泛的关注。但是HfO2的薄膜在制备过程中存在着复杂的相变过程，相变的动力学机制尚不明确；并且针对提升HfO2铁电性的方法之一的掺杂的研究也缺乏微观层面的分析。
针对这些问题展开研究后，首次发现仅由离子调控引起的由立方相到铁电相的相变行为（图1），并且首次提出在氧化铪中采用共掺杂方式调控其铁电性（图2），并对常见的掺杂方式进行了筛选（图3），在进行研究的过程中对背后的物理机制也进行了解释。这些研究为HfO2中掺杂以及相变的研究提供参考，为某些现象背后的机制提供洞见。
图 1. 由缺陷情况、掺杂浓度，以及掺杂种类共同影响的立方相的相变过程
图 2. 单一掺杂与共掺杂对铁电极化理论值的影响
图 3.稀土元素参与的共掺杂方式筛选