【儀表網 研發(fā)快訊】近日，上?？萍即髮W物質科學與技術學院孫兆茹課題組聯(lián)合青島大學、山東大學、中國科學院高能物理研究所研究團隊，在摻雜螢石氧化物結構演化研究中取得重要進展。他們發(fā)現(xiàn)，堿土金屬摻雜能夠誘導傳統(tǒng)螢石氧化物發(fā)生一種此前未被認識的非晶多態(tài)(polyamorphic)轉變，形成金屬亞晶格有序而氧亞晶格非晶化的新型半有序非晶(Semi-ordered Amorphous, SA)結構。相比傳統(tǒng)連續(xù)隨機網絡非晶，該結構同時具有更高的熱力學穩(wěn)定性、更寬的帶隙以及更高的介電常數(shù)，為高性能非晶介電材料設計提供了新的結構范式。相關成果以“Doping-induced Polyamorphic Transitions in Fluorite Oxides”為題發(fā)表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)。
 

　　在實際應用中，人們通常希望材料保持非晶狀態(tài)，以獲得更加均勻的界面和更穩(wěn)定的器件性能。但傳統(tǒng)非晶氧化物普遍存在“穩(wěn)定性與介電性能難以兼顧”問題：提高非晶穩(wěn)定性往往伴隨著介電常數(shù)下降，而提高介電性能又容易誘導材料重新結晶。這一性能權衡限制了高性能非晶介電材料的發(fā)展。
 

　　針對這一問題，研究團隊結合大規(guī)模分子動力學模擬、第一性原理計算以及多種實驗表征技術，系統(tǒng)研究了堿土金屬摻雜對螢石氧化物非晶結構的影響。結果顯示，Ba摻雜可在HfO2中誘導非晶多態(tài)轉變，形成一種“半有序非晶”(SA)相：氧亞晶格完全無序，而金屬(Ba/Hf)亞晶格仍保持有序的類立方框架。研究進一步通過同步輻射EXAFS、高分辨STEM以及XRD等實驗，對理論預測進行了驗證，實驗結果與模擬高度一致。進一步計算表明，該SA相的形成源于簡并的短程對稱性破缺模式，符合Pauling簡約規(guī)則。與傳統(tǒng)連續(xù)隨機網絡非晶(RA)結構相比，SA相具有更高的熱力學穩(wěn)定性、更寬的帶隙和更高的介電常數(shù)，這是因為有序金屬亞晶格抑制了亞帶隙態(tài)，并增大了Hf和O原子的玻恩有效電荷。這一結構形成機制還可推廣至Ba、Sr、Ca摻雜的HfO2與ZrO2體系，為設計高性能非晶high-k介質提供了普適策略。
 

　　本工作首次證實了摻雜調控在形成半有序非晶結構中的關鍵作用，并揭示了其在高性能柵介質材料設計與器件集成中的潛在價值。上?？萍即髮W物質學院博士生楊昊、青島大學研究生欒喬童為論文共同第一作者。上?？萍即髮W孫兆茹教授、青島大學溫崢教授、山東大學劉曉輝教授為共同通訊作者。
 

　　引用：物質學院孫兆茹課題組揭示摻雜誘導螢石氧化物非晶多態(tài)性轉變機制-上?？萍即髮W【引用時間：2026年9月18日】