Al1-xScxN（钪掺杂氮化铝）是一种具有纤锌矿结构的新型铁电材料，通过向非铁电的AlN中掺入Sc元素，打破中心对称性从而诱导铁电性，兼具高极化强度与CMOS工艺兼容性，是下一代非易失性存储器等电子器件的核心功能材料。然而，其在原子尺度上是如何降低翻转能垒，从而减小材料矫顽场机制尚未阐明。传统钙钛矿铁电体的翻转可由Ginzburg-Landau-Devonshire理论和软模物理成功描述，但阳离子取代的纤锌矿AlN既不拥有软化的横光学声子模，其能垒又受取代元素显著扭曲，故经典理论不适用。理论虽提出Sc引入可产生六角相作为集体翻转的中间态，以降低能垒，但实验证据不足。同时，B掺杂体系的电子束诱导翻转中观察到瞬态反极性构型，且存在畴壁驱动翻转的可能性，提示翻转机制受取代浓度、电场等多因素耦合调控。上述所有研究凸显了Al1-xScxN翻转机制的复杂性，亟需原子尺度的直接实验观察来揭示阳离子取代如何真正降低翻转能垒、减小矫顽场，从而为材料优化提供物理基础。
二、【创新成果】
基于此，华东师范大学的成岩教授、吴媛高级工程师联合复旦大学魏莹芬研究员在Science上发表了题为“Alternating atomic-dipole layers and switching dynamics in Al1-xScxN ferroelectrics”的论文，报道利用Cs-TEM和iDPC-STEM技术，在原子尺度上揭示了Al0.82Sc0.18N铁电薄膜中沿[0001]极化方向的阳离子-阴离子间距呈周期性调制，形成富Sc层与贫Sc层交替堆叠的偶极超结构。第一性原理和神经网络势计算表明，这种Al/Sc层间非对称化学有序可降低体系总能量。原位动态成像首次直接观察到极化翻转并非集体进行，而是离散的、步进式的、非集体的过程，单个晶胞在M-极性、瞬态和N-极性状态间反复波动。理论计算表明，这种成分不均一性创造了多个低能垒的瞬态中间态，非集体路径能垒（~0.14 eV/f.u.）仅为集体路径（~0.38 eV/f.u.）的三分之一。本研究建立了原子尺度偶极结构与宏观翻转动力学的直接联系，为理性设计和优化纤锌矿铁电体提供了微观物理基础。
三、【图文解析】
图1 Al0.82Sc0.18N薄膜中的周期调制结构 © 2026 AAAS
图2 Al1-xScxN薄膜中可调组成铁电性的原子级起源 © 2026 AAAS
图3 极化翻转的时间分辨原子尺度动力学 © 2026 AAAS
图4 AlScN中极化翻转的原子尺度能量景观与成分效应 © 2026 AAAS
四、【科学启迪】
综上，本研究利用Cs-TEM、iDPC-STEM以及第一性原理计算，系统揭示了Sc取代AlN中铁电翻转的原子尺度机制。实验发现Al0.82Sc0.18N薄膜中沿[0001]方向存在阳离子-阴离子间距的周期性调制，富Sc层与贫Sc层交替堆叠，形成原子偶极超结构。原位动态成像首次捕捉到极化翻转以离散、步进、非集体的方式进行，单个晶胞在M-极性、瞬态和N-极性间反复波动。理论计算表明，这种成分不均一性产生多个低能垒瞬态中间态（非集体路径能垒~0.14 eV/f.u.，约为集体路径的三分之一），从而有效降低了翻转能垒。本研究突破了传统集体翻转范式的认知局限，首次建立了纤锌矿铁电体中原子尺度偶极结构与宏观翻转动力学的直接关联。所揭示的化学有序诱导结构预畸变→多瞬态中间态→步进式低能垒翻转这一物理图像，为理解阳离子取代降低矫顽场的微观机制提供了全新视角。这种畸变的周期性特征表明，纤锌矿铁电体的极化可通过调控其原子组成和结构进行精细调节，为工程化增强铁电性能提供了有前景的途径。
原文详情：Alternating atomic-dipole layers and switching dynamics in Al1-xScxN ferroelectrics (Science, 2026, 393, 85-89)
本文由赛恩斯供稿。
