近期，中國科學院合肥物質院固體所聯合西南交通大學等，結合高壓電輸運實驗、高壓拉曼實驗和第一性原理計算，揭示了氧化鉿(HfO2)在高壓下的結構相變規律及其電學性質演化機制，解決了此前關于HfO2在低壓區的相變爭議。相關結果以“Structural and electrical properties of HfO2?at high pressure”為題發表在Physical Review B?(Phys. Rev. B 111, 115104 (2025))上。
 

　　HfO2作為一種具有良好互補金屬氧化物半導體兼容性的鐵電材料，在半導體存儲器、低功耗邏輯器件等領域具有廣泛的應用前景。研究表明，HfO2在常壓下沒有鐵電性，通過應變或摻雜等方式可誘導其轉變為非中心對稱的正交相，從而產生鐵電性，這說明其鐵電性與晶體結構密切相關。高壓是調控材料結構、研究構效關系的有力手段。然而，目前對于HfO2在低壓區是否存在結構相變仍存在爭議，尤其是通過高壓拉曼光譜和高壓X射線衍射光譜兩種實驗技術得到的結論存在沖突，這阻礙了對HfO2的結構和物性的進一步理解。因此，研究團隊引入了另一種高壓實驗技術——電輸運，同時結合高壓拉曼光譜實驗和第一性原理計算，對HfO2在低壓區的相變給出了明確解答。
 

　　基于金剛石對頂砧裝置高壓技術，研究人員發現，壓力下HfO2的原位電輸運、拉曼光譜實驗和第一性原理計算結果之間能夠很好的契合。HfO2在低壓區(3.5?±?0.5 GPa)由單斜相轉變為正交I相，并在15.2 ±?0.6 GPa時進一步轉變為正交II相。此外，研究團隊還對摻雜5%釔的HfO2進行了研究，發現摻雜可以進一步降低HfO2的相變壓力。該研究解答了關于HfO2低壓區壓力誘導結構相變的爭議，并為深入理解其結構與電輸運特性之間的關系提供了參考。
 

　　該工作由合肥物質院、西南交通大學、安慶師范大學和中國科學技術大學合作完成。其中，丁俊峰研究員、劉其軍教授和程鵬博士為論文共同通訊作者，博士生潘孝美為論文第一作者。上述工作得到了國家自然科學基金的支持。
 

圖1.高壓電輸運實驗示意圖。
 

　　圖2.?摻雜5%Y-HfO2在高壓下的I-V曲線(a) ，電阻隨壓力的變化(b)。