存储器作为所有电子信息系统的核心与基石，其在现代信息技术中的重要作用不仅是大国竞争的焦点，更是制约国家安全的关键和核心技术。但是，我国存储器市场基本被美日韩企业所垄断，虽然市场规模约占全球的35%，但自给率不足5%。特别是随着人工智能、物联网和大数据等新信息技术的快速发展与普及，全球数据量呈现爆发式的增长，而市场主流存储器产品因存在物理极限、存储鸿沟和功耗高的问题，无法满足未来海量数据处理的要求。因此，发展新型非易失性存储器正成为世界强国竞争的制高点。
铁电存储器是一种采用铁电材料的双稳态极化来存储信息的新型非易失性存储器，因具有极优异的抗辐照性能和长久的数据保存能力，近30年来备受国内外高度关注。然而，锆钛酸铅等传统铁电材料作为存储介质的最小薄膜厚度约为70 nm，不能突破物理极限，翻转速度约为100 ns，不能解决存储鸿沟，且面临组成元素污染集成电路工艺线的巨大难题。2011年意外发现具有铁电性的氧化铪，有望引领存储器同时突破物理极限、存储鸿沟和集成电路工艺兼容性问题。唤醒效应、疲劳失效、性能不均一是阻碍氧化铪基铁电存储器走向应用的瓶颈问题，根本原因在于对氧化铪的5d电子结构、畴结构、铁电相等反常铁电性科学本质认识不足。
针对以上需求及挑战，西安电子科技大学先进材料与纳米科技学院周益春教授团队开展5d电子材料铁电性物理本质与存储器设计新理论研究，以构建电子、声子以及跨尺度畴变模型，揭示5d电子材料铁电性的物理本质及其介观响应规律，建立畴与场效应协同的复杂系统器件设计新理论，从而实现铁电相、薄膜、存储器的全链条研制。
(1) 提出了场效应与畴结构耦合的器件设计理论，建立了源漏电流（存储窗口）与栅电压、极化、应变、应变梯度之间的关联，实现了铁电存储器的电路设计与仿真，首次研制出64 kbit 氧化铪基铁电存储器。
图1. 64 kbit铁电存储器及其功能演示照片
(2) 基于与主流集成电路工艺线兼容的原子层沉积工艺，提出硅衬底上制备氧化铪基铁电薄膜的化-力-电多场调控原理和晶态high-k层降低铁电相形成能的策略，实现了杂相（化）、界面（力）、畴（电、力）的协同调控，在国际上首次实现了氧化铪基铁电存储器的后栅极制备工艺和后端集成工艺，并通过了标准工艺线的验证。
图2 (a)8英寸氧化铪基铁电薄膜照片; (b) 后栅极工艺制备的铁电存储单元照片
(3) 基于贝利相位和能带理论，揭示出氧化铪的铁电相是极不稳定的亚稳相，并阐明掺杂离子-氧空位复合缺陷、应变和电场的协同作用能有效稳定亚稳相；构建了氧化铪基铁电薄膜带电畴壁-内建电场相场模型，从理论上预测了氧化铪尾对尾90°电畴结构的存在及其对氧化铪基铁电薄膜“唤醒”效应与疲劳失效的影响规律，并通过像差校正扫描透射电子显微镜(Cs-STEM)证实90°电畴结构是导致氧化铪基铁电薄膜出现“唤醒”效应的重要原因。
图3 氧化铪薄膜在(a)唤醒前和(b)唤醒后的晶相、电畴结构