微纳材料设计与制造研究中心

氧化铪（HfO₂）薄膜作为新型铁电材料展现出巨大潜力，但其性能调控面临技术挑战。采用原子层沉积（ALD）技术时，必须精确控制三个关键参数：薄膜厚度、氧空位浓度和氮掺杂量——这些因素共同决定了材料的铁电性。目前的研究难点在于，ALD工艺参数（如前驱体选择、沉积温度、反应时间等）与最终性能之间的定量关系尚未完全明确，这就像在未知配方的情况下尝试调配精密化学试剂，每个参数的微小变化都可能影响最终结果。

近日，华中科技大学陈蓉、单斌教授团队采用密度泛函理论（DFT）与动力学蒙特卡罗模拟（kMC）相结合的多尺度计算方法，深入研究了以O₃为氧化剂，由TEMA-Hf和HfCp(NMe₂)₃前驱体制备HfO₂薄膜的原子层沉积过程。该研究系统揭示了前驱体分子结构特性和沉积温度对薄膜生长动力学、氧空位形成及氮杂质掺杂行为的调控机制。研究成果作为封面论文发表于《Chemistry of Materials》。

kMC模拟结果表明，在150~350℃温度区间内，TEMA-Hf和HfCp(NMe₂)₃前驱体的每周期生长速率（GPC）分别为0.094~0.109 nm/cycle和0.081~0.096 nm/cycle，与实验数据具有良好的一致性。HfCp(NMe₂)₃生长速率较慢，这主要是因为其环戊二烯基配体（Cp）比二甲基酰胺基团（NMe₂）具有更大的空间位阻效应。

两种前驱体制备的薄膜中氮元素含量均稳定在1%左右，且基本不随温度变化，与实验报道结果一致；而氧空位浓度则随沉积温度升高至350℃呈现轻微下降趋势。进一步分析表明，高温促进了氧迁移过程，从而导致氧空位减少。与TEMA-Hf制备的薄膜相比，HfCp(NMe₂)₃生长的薄膜表面粗糙度更高，这可能是由于体积更大的Cp基团在沉积过程中产生的空间位阻效应限制了分子重排，导致无序堆积，从而增加了表面粗糙度。

综上所述，该团队首次从原子尺度阐明了前驱体选择与工艺参数对HfO₂薄膜生长动力学与缺陷演化的调控规律，为下一代高铁电性HfO₂薄膜的可控合成提供了关键科学依据。该论文的共同第一作者为华中科技大学材料学院硕士研究生李豪杰和副教授文艳伟，通讯作者为陈蓉教授和单斌教授。