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1、華東師大《科學(xué)》發(fā)文：鐵電翻轉(zhuǎn)不再“齊步走”

7月3日，華東師范大學(xué)信息與電子工程學(xué)院（集成電路科學(xué)與工程學(xué)院）、極化材料與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成巖教授/吳宇寧教授團(tuán)隊(duì)，在纖鋅礦型AlScN新型鐵電極化翻轉(zhuǎn)機(jī)制研究方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以"Alternating atomic-dipole layers and switching dynamics in Al???Sc?N ferroelectrics" 為題發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊 《科學(xué)》（Science）。

克服極高能壘的翻轉(zhuǎn)困局

鐵電材料之所以能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，關(guān)鍵在于其內(nèi)部的極化狀態(tài)可以通過(guò)外加電場(chǎng)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，就像無(wú)數(shù)個(gè)可以微觀控制的開(kāi)關(guān)。

在眾多候選材料中，纖鋅礦結(jié)構(gòu)的氮化鈧鋁（AlScN）因具備大極化強(qiáng)度、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，且能與現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝完美兼容，被科學(xué)界認(rèn)為是面向下一代微電子芯片的極具潛力關(guān)鍵材料之一。

然而，要讓這一材料順暢工作，科學(xué)家們此前遭遇了難以逾越的困境。

“纖鋅礦氮化物的極化翻轉(zhuǎn)發(fā)生在強(qiáng)共價(jià)鍵合的四面體晶格中。按照傳統(tǒng)的集體離子位移模型，要讓這些原子‘齊步走’一樣同時(shí)翻轉(zhuǎn)，需要克服極高能壘”，華東師范大學(xué)成巖教授介紹道。

雖然此前實(shí)驗(yàn)表明，引入鈧（Sc）原子能夠降低翻轉(zhuǎn)所需的電場(chǎng)（矯頑場(chǎng)），但其背后的微觀動(dòng)力學(xué)機(jī)理長(zhǎng)期缺乏直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。這成為了制約該材料走向?qū)嶋H器件調(diào)控的核心科學(xué)難題。

建立原子級(jí)化學(xué)有序

和翻轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)之間的直接關(guān)聯(lián)

為了解開(kāi)這個(gè)謎團(tuán)，科研團(tuán)隊(duì)利用尖端的球差校正透射電子顯微鏡，在納米甚至原子尺度下，對(duì)AlScN薄膜內(nèi)部的局域原子偶極矩進(jìn)行了高精度的定量表征。更進(jìn)一步的是，團(tuán)隊(duì)在原位條件下，實(shí)時(shí)追蹤了原子級(jí)極化翻轉(zhuǎn)的全過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果令研究人員感到振奮——原子的翻轉(zhuǎn)并非傳統(tǒng)想象中的“齊步走”。

聯(lián)合團(tuán)隊(duì)首次在AlScN體系中建立起原子級(jí)化學(xué)有序和翻轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)之間的直接關(guān)聯(lián)。他們發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)鍵合、非傳統(tǒng)鐵電晶格中，局域化學(xué)有序和原子層尺度的偶極調(diào)制可以成為調(diào)控極化翻轉(zhuǎn)的關(guān)鍵鑰匙。

“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它不是集體的整齊改變，而是通過(guò)局域的、層狀的交替調(diào)制，重構(gòu)了極化勢(shì)壘，讓翻轉(zhuǎn)變得更輕巧?！背蓭r解釋說(shuō)，“這一全新機(jī)制不僅拓展了鐵電物理的基本圖景，也讓我們對(duì)強(qiáng)鍵合纖鋅礦鐵電體的本質(zhì)有了顛覆性的認(rèn)識(shí)。”

Al0.82Sc0.18N薄膜中的周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)：(A)(B)證實(shí)該薄膜為高度c軸取向的柱狀晶纖鋅礦結(jié)構(gòu)。(C)-(G)通過(guò)原子尺度成像和理論計(jì)算，揭示材料沿極化翻轉(zhuǎn)方向表現(xiàn)出原子層間距交替變化的原子偶極矩層。

Al1-xScxN薄膜組分調(diào)制鐵電特性的原子尺度結(jié)構(gòu)起源：(A)-(C) 表明隨Sc濃度升高，鐵電電滯回線和開(kāi)關(guān)電流發(fā)生顯著變化。(D)-(F) 的原子級(jí)成像則揭示相鄰層間距隨Sc濃度的演變。

時(shí)間分辨原子尺度極化動(dòng)力學(xué)翻轉(zhuǎn)過(guò)程：(A)(B) 極化翻轉(zhuǎn)過(guò)程中原子級(jí)成像及對(duì)應(yīng)的極化方向分布圖，清晰呈現(xiàn)了疇壁結(jié)構(gòu)。(C)(D) 通過(guò)原位跟蹤同一晶胞隨時(shí)間的演變，揭示了極化翻轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)過(guò)程及相鄰層間距的實(shí)時(shí)變化。

原子尺度極化翻轉(zhuǎn)的能壘景觀： (A)-(D) 表明AlScN中存在通過(guò)多個(gè)中間態(tài)的分步翻轉(zhuǎn)路徑，其能壘明顯低于協(xié)同翻轉(zhuǎn)路徑。 (E)-(G)表明Sc原子聚集對(duì)形成中間態(tài)并降低翻轉(zhuǎn)壘有直接影響。

開(kāi)啟微電子芯片材料設(shè)計(jì)新路徑

這項(xiàng)硬核發(fā)現(xiàn)，不僅是一次理論突破，更為產(chǎn)業(yè)界帶來(lái)了巨大的想象空間。

長(zhǎng)期以來(lái)，新型氮化物鐵電材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多依賴于試錯(cuò)式的經(jīng)驗(yàn)探索。而隨著這一全新機(jī)制的揭示，材料設(shè)計(jì)將正式走向基于原子尺度機(jī)制的可預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)。

通過(guò)精確調(diào)控?fù)诫s原子的局域分布、陽(yáng)離子有序度以及原子層結(jié)構(gòu)，科研人員有望在維持材料高熱穩(wěn)定性和半導(dǎo)體兼容性等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，進(jìn)一步降低器件的工作電壓、提升極化的可控性，為發(fā)展高性能鐵電存儲(chǔ)器、低功耗邏輯器件、高溫電子器件等微電子芯片開(kāi)辟了新的材料設(shè)計(jì)路徑。

“這意味著，我們可以在原子層面精準(zhǔn)定制未來(lái)的高性能鐵電存儲(chǔ)器和低功耗芯片材料。”成巖表示，這將為下一代半導(dǎo)體兼容鐵電技術(shù)奠定重要基礎(chǔ)。

這項(xiàng)成果的誕生，得益于多支青年科研團(tuán)隊(duì)的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合與高效協(xié)同。論文聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)集成電路與微納電子創(chuàng)新學(xué)院劉明院士、劉琦教授、魏瑩芬青年研究員團(tuán)隊(duì)，共同通訊作者為華東師范大學(xué)成巖教授、吳宇寧教授和復(fù)旦大學(xué)魏瑩芬青年研究員，共同第一作者為華東師范大學(xué)鄭勇輝副教授、白瑞榮博士、辛天驕博士和復(fù)旦大學(xué)博士研究生趙軒宇。論文重要合作者包括華東師范大學(xué)段純剛教授、浙江大學(xué)田鶴教授、安徽大學(xué)葛炳輝教授，以及復(fù)旦大學(xué)劉明院士、劉琦教授、陳時(shí)友教授。

該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、上海市科委等項(xiàng)目的支持，以及華東師范大學(xué)公共服務(wù)創(chuàng)新平臺(tái)微納加工中心和高性能計(jì)算中心的支持。

2、暨南大學(xué)俞鵬飛團(tuán)隊(duì)Nature：首次揭示中小火山和極端野火事件，增濕平流層的觀測(cè)證據(jù)

7月1日，暨南大學(xué)環(huán)境與氣候?qū)W院俞鵬飛教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合蘭州大學(xué)、中科院大氣所、美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（NCAR）、美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）、科羅拉多大學(xué)博爾德分校等機(jī)構(gòu)，在國(guó)際頂級(jí)綜合性學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）正刊在線發(fā)表題為“Moderate Volcanic Eruptions and Extreme Wildfires Humidify the Stratosphere”的研究論文。

俞鵬飛教授作報(bào)告

本研究首次在真實(shí)大氣觀測(cè)中，為氣候模式長(zhǎng)期預(yù)言的關(guān)鍵機(jī)制提供了系統(tǒng)性證據(jù)：火山噴發(fā)和極端野火產(chǎn)生的氣溶膠，可通過(guò)加熱熱帶對(duì)流層頂，使更多水汽進(jìn)入平流層。這一成果填補(bǔ)了平流層水汽研究領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的“觀測(cè)—模式鴻溝”，將相關(guān)科學(xué)問(wèn)題從“這一過(guò)程是否真實(shí)存在”，推進(jìn)到“模式能否準(zhǔn)確刻畫(huà)這一過(guò)程、如何進(jìn)一步提高模擬精度”的新階段。研究還發(fā)現(xiàn)，中等規(guī)?；鹕絿姲l(fā)和極端野火可解釋2005年以來(lái)平流層水汽上升趨勢(shì)的超過(guò)三分之一，其貢獻(xiàn)與地表變暖相當(dāng)。這表明，過(guò)去相對(duì)被低估的間歇性氣溶膠事件，能夠?qū)ζ搅鲗铀拈L(zhǎng)期變化產(chǎn)生重要影響。

平流層水汽變化中的一個(gè)長(zhǎng)期問(wèn)題：

火山野火讓平流層“變濕”

平流層水汽含量很低，但對(duì)地球氣候系統(tǒng)具有重要影響。作為一種溫室氣體，平流層水汽會(huì)影響地球變暖速率，并通過(guò)調(diào)節(jié)平流層溫度進(jìn)一步影響氣候系統(tǒng)。已有研究表明，2000年前后平流層水汽曾突然下降約10%，其抵消的增溫效應(yīng)相當(dāng)于2000年至2009年間溫室氣體所致變暖的四分之一。同時(shí)，平流層水汽還參與平流層臭氧化學(xué)過(guò)程，關(guān)系到臭氧層變化和臭氧洞恢復(fù)評(píng)估的可靠性。

長(zhǎng)期以來(lái)，氣候模式可以清晰模擬出大型火山噴發(fā)后平流層水汽增加的過(guò)程：火山氣溶膠進(jìn)入高空后，加熱熱帶對(duì)流層頂附近區(qū)域，使更多水汽進(jìn)入平流層。然而，在真實(shí)大氣觀測(cè)中，這一過(guò)程長(zhǎng)期缺乏直接證據(jù)。

過(guò)去，科學(xué)界通常認(rèn)為，如果火山噴發(fā)能夠造成平流層增濕，大型火山事件應(yīng)當(dāng)最容易被觀測(cè)到。然而，即便是1991年皮納圖博火山噴發(fā)，觀測(cè)中也未能清晰識(shí)別出火山導(dǎo)致平流層水汽增加的信號(hào)。為什么氣候模式中清楚存在的過(guò)程，在真實(shí)大氣中卻長(zhǎng)期難以觀測(cè)到？這成為平流層水汽研究領(lǐng)域一個(gè)長(zhǎng)期懸而未決的問(wèn)題。

火山爆發(fā)圖

從復(fù)雜自然變率中把氣溶膠影響“拎”出來(lái)

研究團(tuán)隊(duì)的突破首先來(lái)自研究思路的轉(zhuǎn)變。過(guò)去二十年里，地球經(jīng)歷了一系列中等規(guī)模火山噴發(fā)事件，包括2008年的卡薩托奇火山、2009年的薩雷切夫火山、2011年的納布羅火山，以及2017年至2019年間的多次噴發(fā)。與此同時(shí)，極端野火事件也不斷向平流層輸送氣溶膠。

中等規(guī)?；鹕絾未吾尫诺臍馊苣z總量不及大型火山，但其氣溶膠往往更集中在熱帶對(duì)流層頂附近，而這里正是水汽進(jìn)入平流層的關(guān)鍵區(qū)域。這意味著，中等規(guī)?；鹕降脑鰸裥士赡懿⒉坏?。另一方面，單次中等規(guī)模事件的水汽信號(hào)較弱，容易被大氣自然變率掩蓋，難以單獨(dú)識(shí)別。因此，研究團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向多事件合成分析，將2005年至2021年間多次中等規(guī)模火山噴發(fā)和極端野火事件放在一起，尋找它們共同留下的平流層增濕信號(hào)。也就是說(shuō)，研究不再依賴某一次強(qiáng)事件是否足夠明顯，而是通過(guò)多次事件的共同響應(yīng)，識(shí)別真實(shí)大氣中反復(fù)出現(xiàn)的物理過(guò)程。

真正的挑戰(zhàn)在于，平流層水汽并不會(huì)只受火山和野火影響。大氣內(nèi)部諸多動(dòng)力變化過(guò)程，都會(huì)改變平流層水汽含量?；鹕胶鸵盎鹪斐傻乃憫?yīng)，往往疊加在這些自然波動(dòng)之上，且大小相當(dāng)，難以直接識(shí)別。

為此，研究團(tuán)隊(duì)采用多事件合成分析和改進(jìn)的重采樣統(tǒng)計(jì)方法。團(tuán)隊(duì)先確定受火山噴發(fā)或極端野火影響的時(shí)期，再?gòu)臎](méi)有明顯氣溶膠擾動(dòng)的時(shí)期中，篩選出氣候背景盡量相似的月份作為對(duì)照，使兩組樣本在其他影響因子的變化上盡可能接近，從而在自然界的觀測(cè)結(jié)果中“控制變量”。這樣一來(lái)，如果受火山或野火影響的時(shí)期仍表現(xiàn)出更高的平流層水汽，就可以更可靠地判斷，這一增濕信號(hào)并非自然變率“碰巧”造成，而是與火山和野火氣溶膠有關(guān)。

結(jié)果顯示，在利用統(tǒng)計(jì)方法排除主要自然變率影響后，受火山和野火影響的時(shí)期仍表現(xiàn)出顯著的平流層增濕信號(hào)。進(jìn)一步的衛(wèi)星觀測(cè)診斷表明，這一增濕過(guò)程與氣溶膠增加、熱帶對(duì)流層頂升溫相對(duì)應(yīng)，符合“氣溶膠加熱—對(duì)流層頂升溫—平流層水汽增加”的物理鏈條。由此，研究團(tuán)隊(duì)在真實(shí)大氣中識(shí)別出氣溶膠事件導(dǎo)致平流層增濕的共同信號(hào)，證明這一長(zhǎng)期存在于氣候模式中的過(guò)程真實(shí)發(fā)生在大氣中。

火山野火事件引起顯著的平流層水汽增加

極端野火打開(kāi)平流層水汽的熱帶外新通道

驗(yàn)證機(jī)制存在只是第一步，更重要的是評(píng)估其影響大小。研究發(fā)現(xiàn)，2005年以來(lái)，中等規(guī)模火山噴發(fā)和極端野火共同解釋了觀測(cè)到的平流層水汽上升趨勢(shì)的超過(guò)三分之一，其貢獻(xiàn)與全球氣候變暖相當(dāng)。這說(shuō)明，火山噴發(fā)和極端野火這類(lèi)間歇性氣溶膠事件，并非只會(huì)造成短期擾動(dòng)，也能夠在較長(zhǎng)時(shí)間尺度上影響平流層水汽變化。

研究還表明，2005年至2021年間，多次中等規(guī)?；鹕絿姲l(fā)和極端野火累積增加的平流層水汽總量，與2022年湯加火山噴發(fā)直接注入平流層的水汽量處于同一量級(jí)。湯加火山噴發(fā)因直接向平流層注入大量水汽而受到廣泛關(guān)注，而本研究指出，即便沒(méi)有類(lèi)似湯加火山這樣罕見(jiàn)而劇烈的單次事件，多次中等規(guī)?；鹕絿姲l(fā)和極端野火的累積效應(yīng)同樣不可忽視。

平流層水汽時(shí)間演變的重建

極端野火在本研究中呈現(xiàn)出獨(dú)特作用。以2020年澳大利亞“黑色夏季”野火為例，模擬結(jié)果揭示了一條新的平流層水汽通道。野火氣溶膠不僅可以通過(guò)加熱熱帶對(duì)流層頂溫度，打開(kāi)平流層水汽“閥門(mén)”，促進(jìn)更多水汽進(jìn)入平流層；研究還發(fā)現(xiàn)了野火氣溶膠可通過(guò)吸收輻射發(fā)生“自抬升”，快速上升至更高大氣層，并將水汽輸送至中緯度平流層，打開(kāi)新的中緯度傳輸通道。

這一發(fā)現(xiàn)拓展了人們對(duì)平流層水汽來(lái)源的認(rèn)識(shí)。過(guò)去，研究一般認(rèn)為熱帶對(duì)流層頂是水汽進(jìn)入平流層的主要通道；而本研究表明，極端野火還可能通過(guò)中緯度煙羽“自抬升”過(guò)程，為平流層水汽提供另一條重要的中緯度通道。隨著全球變暖背景下極端野火風(fēng)險(xiǎn)上升，野火導(dǎo)致的平流層增濕過(guò)程可能在未來(lái)變得更加重要。

從模式到觀測(cè)，再?gòu)挠^測(cè)回到模式

這項(xiàng)研究填補(bǔ)了平流層水汽研究的觀測(cè)空白，為后續(xù)工作開(kāi)辟了清晰方向。過(guò)去，由于缺少觀測(cè)證據(jù)，科學(xué)界難以判斷“氣溶膠加熱—平流層增濕”過(guò)程是否真實(shí)存在。觀測(cè)證據(jù)的確立使問(wèn)題進(jìn)入新階段：模式能否準(zhǔn)確刻畫(huà)這一過(guò)程？如何改進(jìn)模式以更好地捕捉它？

展望未來(lái)，隨著全球變暖加劇，極端野火風(fēng)險(xiǎn)持續(xù)上升。如果野火導(dǎo)致的平流層增濕進(jìn)一步增強(qiáng)，而當(dāng)前的氣候預(yù)測(cè)和臭氧恢復(fù)研究仍將其排除在外，可能產(chǎn)生系統(tǒng)性偏差。研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)圍繞這一問(wèn)題推進(jìn)，評(píng)估氣溶膠間接增濕效應(yīng)對(duì)平流層氣溶膠演變及其氣候—環(huán)境效應(yīng)的影響，為更精準(zhǔn)的氣候預(yù)測(cè)和臭氧層恢復(fù)評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

俞鵬飛和博士合影

該研究也對(duì)平流層氣溶膠地球工程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有啟示意義。人為向平流層注入氣溶膠雖然已經(jīng)被現(xiàn)實(shí)火山案例和氣候模式證實(shí)其有效性，但該研究也提示這些氣溶膠也可能通過(guò)影響平流層水汽和臭氧化學(xué)過(guò)程帶來(lái)更復(fù)雜的氣候與環(huán)境效應(yīng)，因此在相關(guān)技術(shù)討論中有必要充分評(píng)估這些潛在風(fēng)險(xiǎn)。

論文第一署名單位為暨南大學(xué)。蘭州大學(xué)彭藝峰博士在訪問(wèn)暨南大學(xué)期間參與完成該研究，并擔(dān)任論文第一作者；暨南大學(xué)俞鵬飛教授為唯一通訊作者。該研究受到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2024YFF0808501）等項(xiàng)目的資助。

來(lái)源：華東師范大學(xué)、暨南大學(xué)