铁电材料，下一代非易失性存储器的核心。

简单说，它有一个特殊的“记性”——外加电场能让它的极化方向翻转，撤掉电场后还能保持。这种“0”和“1”的存储方式，速度快、功耗低、断电不丢数据。

在众多铁电材料中，钪掺杂氮化铝（Al₁₋ₓScₓN） 是近几年的“当红炸子鸡”。

它的优势很突出：极化强度大（>100 µC/cm²）、热稳定性好（居里温度>1000°C），而且跟现有的CMOS芯片制造工艺兼容。这些特性让它成为下一代存储器和逻辑器件的热门候选。

但这材料有个“怪脾气”——矫顽场特别高（也就是翻转它需要的电场特别大）。为了降低这个“门槛”，科学家们往AlN里掺了钪（Sc）。实验证明，Sc掺得越多，矫顽场越低。

问题来了：Sc到底是怎么降低翻转能垒的？

这个问题卡了大家很久。

传统的铁电理论（比如朗道-金兹堡-德文希尔理论）是用来描述钙钛矿铁电体的。但AlScN是纤锌矿结构——没有钙钛矿那种“软模”机制。理论计算倒是提出了一些猜想——比如Sc引入会带来额外的六角相、可能沿集体路径降低能垒——但一直没有直接的原子尺度实验证据。

直到今天，华东师范大学成岩教授、吴媛高级工程师团队与复旦大学魏荧芬研究员团队联手，用一台“原子级摄像机”，拍到了AlScN极化翻转的完整过程。

成果于2026年7月2日发表于《科学》 。

用“原子级摄像机”实时跟拍

团队用的工具是球差校正透射电子显微镜（Cs-TEM） 和集成差分相位衬度扫描透射电子显微镜（iDPC-STEM）。

这俩名字拗口，但你可以把它们理解为 “原子级的高速摄像机” ——能看到单个原子怎么动，还能在施加电场的同时实时记录。

他们盯着Al₀.₈₂Sc₀.₁₈N薄膜，沿[11̄20]晶带轴观察。结果发现了三个关键现象：

第一，原子间距不是均匀的，而是“一高一低”交替排列。

沿极化方向（[0001]方向），阳离子和阴离子的垂直间距（Δr）并非恒定，而是呈现出周期性调制——钪富集层间距小（Δr₁），钪贫乏层间距大（Δr₂），像波浪一样交替起伏。

第一性原理计算表明，这种部分有序的Al/Sc排列在热力学上更稳定，比完全无序的对称分布低5.41 meV/每化学式单位。

Figure 1：iDPC-STEM原子级图像及Δr周期性调制分析

图1 | Al₀.₈₂Sc₀.₁₈N沿[11̄20]晶带轴的原子级图像，显示阳离子-阴离子间距Δr的周期性调制（Δr₁ < Δr₂）。右图为第一性原理计算验证，证实部分有序Al/Sc排列在热力学上更稳定。

第二，极化翻转不是“齐步走”，而是“接力跑”。

传统的铁电翻转，大家想象中是所有原子同时翻——像一群士兵听到口令同时转向。

但原位电镜拍到的画面完全不一样：极化翻转是“非集体的、步进式的” ——原子是一个接一个、一层接一层地翻转。

就像接力赛，一棒一棒传过去，而不是所有人一起冲。

第三，“接力”路径不止一条。

偶极层的周期性调制创造了多条低能垒翻转路径。原子不用挤在同一条路上翻，哪条路阻力小就走哪条。

Figure 3：原位电镜捕捉的极化翻转动态过程

图注建议：图3 | 原位电镜实时记录AlScN极化翻转的接力式过程，显示原子层逐层翻转而非集体翻转。

数据：Sc浓度越高，翻转越容易

宏观电学测试验证了这套机制的威力：

Sc从18%增加到30%，矫顽场从5.5 MV/cm降到了4.2 MV/cm。

Figure 2：不同Sc浓度下的宏观电学性能及原子结构演变

图注建议：图2 | Al₁₋ₓScₓN铁电性能随Sc浓度变化：（左）铁电回线（P-E）显示矫顽场随Sc增加而降低；（右）原子尺度结构演变揭示Sc浓度增加对偶极层调制的增强效应。

研究意义

第一，给AlScN铁电体画了一张“原子级设计图”。

以前大家只知道“掺Sc能降低矫顽场”，但不知道为什么。现在知道了：Sc在原子层面制造了周期性的“波浪结构” ，这种结构为极化翻转开辟了多条低能垒路径。以后优化材料性能，可以从“原子级户型设计”入手。

第二，刷新了对铁电翻转的认知。

传统观点认为极化翻转是集体行为——所有原子一起翻。这项研究证明了在AlScN里是接力行为——原子一层一层接力翻。这种机制可能是纤锌矿铁电体的“独门绝技”。

第三，为低功耗电子器件铺路。

矫顽场越低，器件工作电压就越低，功耗就越小。理解了这个机制，就能理性设计更低矫顽场的AlScN材料，推动铁电存储器、逻辑器件走向实用。

论文信息：Alternating atomic-dipole layers and switching dynamics in Al₁₋ₓScₓN ferroelectrics，Science，2026，DOI: 10.1126/science.aee9639

总结：

原子级电镜实时跟拍→发现Sc/Al周期性波浪排列→极化翻转是接力式而非集体式→多条低能垒路径→矫顽场从5.5降至4.2 MV/cm→为理性设计纤锌矿铁电体提供原子蓝图。