中国科学院过程工程研究所王勇团队研究成果：氧化铪薄膜的制备、调控与应用研究进展

引言

氧化铪（HfO₂）薄膜因其独特的物理和化学性质，如高介电常数、宽禁带、高折射率及优异的热稳定性，在电子器件领域展现出广阔的应用前景。本文全面综述了HfO₂铁电薄膜的制备方法、性能调控策略及其在微电子、光学、能源和生物医学等领域的应用进展，旨在为HfO₂薄膜的后续研究和产业化应用提供理论支持与实践指导。文章基于中国科学院过程工程研究所王勇研究员团队研究成果及国家重点研发计划项目资助。

01. 研究背景

微电子技术的推动：随着微电子技术的快速发展，对低成本、高密度、高性能低功耗电子器件的需求日益增长。HfO₂薄膜因其优异的电学和光学性质，成为高密度非易失性存储器、透明铁电材料及高性能传感器的理想候选材料。

HfO₂薄膜的广泛应用：HfO₂薄膜在光电器件、非易失性存储器、传感器及生物医学器件等领域具有重要应用价值。然而，其铁电性能在不同工艺条件下波动较大，且在高温高湿度环境下的长期稳定性和耐久性研究不够深入，制约了其大规模应用。

现有研究的不足：尽管已有大量研究致力于HfO₂薄膜的制备和性能优化，但如何在大规模生产中保持薄膜性能的一致性和可靠性，以及多因素协同作用对性能的影响机制尚不完全清楚。

02. 创新亮点

（1）制备方法的多样化与优化

本文详细介绍了物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、溶胶凝胶法（Sol-Gel）及化学溶液沉积（CSD）等多种制备方法，并分析了各方法的优缺点及适用场景。通过对比与优化，提出了针对不同应用需求的最佳制备策略。

（2）性能调控策略的系统阐述

从掺杂元素、薄膜厚度、制备工艺、氧空位、基底效应及机械应力等多角度系统探讨了HfO₂薄膜铁电性能的调控机制。例如，通过掺杂La、Al、Ga、Y等元素，有效抑制了非铁电相的形成，提高了铁电性能；通过调控薄膜厚度和氧空位浓度，实现了对铁电性能的精细调节。

（3）跨学科应用的探索

本文不仅关注HfO₂薄膜在微电子领域的应用，还探索了其在光学、能源和生物医学等领域的潜力。例如，通过多步沉积和退火工艺，制备了具有高透明度和稳定铁电性能的掺杂HfO₂薄膜，用于透明存储器和光学传感器；利用HfO₂薄膜的优异生物相容性，探索了其在生物医学器件中的应用。

03. 图文展示

 图1 HfO2晶体结构示意图：(a)单斜相结构；(b)立方相结构；(c)四方相结构；(d)正交相结构

Fig.1 Schematic diagrams of the crystal structures of HfO2:(a) monoclinic phase structure;(b) cubic phase structure;(c) tetragonal phase structure;(d) orthorhombic phase structure

图2 物理气相沉积原理图

Fig.2 Physical vapor deposition schematic

图3 化学气相沉积原理图

Fig.3 Chemical vapor deposition schematic

 图4 溶胶-凝胶法原理图

Fig.4 Sol-gel method schematic

04. 结论

（1）制备方法的多样性：HfO₂薄膜的制备方法多样，各具优缺点。PVD和CVD技术适用于高纯度、高质量薄膜的制备；溶胶凝胶法和CSD法则在成本效益和灵活性方面表现突出。未来研究应进一步优化工艺参数，提高薄膜性能的一致性和可靠性。

（2）性能调控的有效性：通过掺杂元素、调控薄膜厚度和氧空位浓度等手段，可显著提高HfO₂薄膜的铁电性能。未来需加强对多因素协同作用机制的理解，建立更加准确的物理模型，以指导实验实现更精确的性能调控。

（3）跨学科应用的广阔前景：HfO₂薄膜在微电子、光学、能源和生物医学等领域展现出巨大潜力。未来应继续探索其在新兴领域的应用，推动物联网、人工智能和生物医学工程等高科技领域的发展。

（4）持续的研究挑战：尽管HfO₂薄膜的研究取得了一定进展，但如何在大规模生产中保持性能一致性、深入理解多因素协同作用机制仍是未来研究的重点。通过跨学科合作，不断优化制备工艺和性能调控策略，将有望推动HfO₂薄膜在更多领域实现广泛应用。