东京工业大学材料学院的材料学教授船久保宏（兼任该校元素战略研究中心）、研究生安冈信之介（硕士二年级）和其他研究人员，通过降低铁电体中铁电性最高的氮化铝钪的浓度，成功地制造了比传统薄膜具有更高铁电性的薄膜。钪。此外，在世界上首次证实小于1/100,000毫米（10纳米）的氮化铝钪薄膜具有铁电特性。
氧化铪等传统铁电材料需要在形状复杂的基板上制作三维薄膜。这一结果不仅可以通过制造结构简单的铁电薄膜来降低成本，而且有望实现低功耗运行的物联网非易失性存储器。
这一成果是由东京工业大学、日本国立材料科学研究所功能材料研究中心的独立研究员 Masao Shimizu 博士、高级研究员 Masato Uehara 和研究小组组长 Hiroshi Yamada、日本国立先进工业技术研究院传感系统研究中心的首席研究员 Morito Akiyama、日本电信研究所的 Yoshiomi Hiranaga 助理教授和 Yasuo Naga 教授组成的一个研究小组的成果东北大学和美国物理学会杂志。应用物理学杂志''被选为专题文章并于9月18日（当地时间）发表。
铁电体是一种晶体具有两种稳定状态（极化状态）的材料，具体取决于电压施加的方向，并且即使在断开电源时也能保持其当前的极化状态。由于不使用电力来维持极化状态，因此理论上可以创建即使没有电源也可以保留信息的存储元件（非易失性存储器）。采用铁电材料的存储器已广泛应用于交通IC卡等，但由于铁电薄膜的生产难度较大，其应用范围受到限制。
2011年，一种易于生产的基于氧化铪的物质被公布，并引起了广泛关注。然而，除了控制铁电性的方法尚未充分建立之外，铁电性本身很小并且需要三维薄膜制造。目前仍在努力将其投入实际应用。
2019年有报道称，目前用于智能手机高频滤波器的氮化铝钪[(Al,Sc)N]具有高铁电性。然而，为了使存储器以低功耗运行，必须使铁电体变得更薄，但本研究报告的数据是针对150 nm厚的薄膜，并且尚不清楚即使将薄膜做得更薄，是否会表现出铁电特性。这是因为铁电材料在变薄时会失去铁电性。尺寸效应（项1）”，并且铁电性损失的厚度根据材料的不同而有很大差异。因此，氮化铝钪能否用作存储器还不清楚。
在这项研究中，通过使金属钪（Sc）和铝（Al）在气相中与氮气反应，制备了几种具有不同钪和铝比例[Sc/(Sc+Al)比]的氮化铝钪[(Al,Sc)N]。
结果，与之前的报道相比，我们成功地制造了一种铁电薄膜，其 Sc/(Sc+Al) 比更小，并且在断开电源时每 1 cm × 1 cm 的剩余电容（残余极化值）更大。 （图1）
图1断开电源时每1cm×1cm剩余的电容（残余极化值）与薄膜中Sc/(Sc+Al)比之间的关系
此外，Sc/(Sc+Al) 比率越小，从一种偏振态改变（反转）到另一种偏振态所需的每厘米电压（矫顽电场）就越大。Ec)（图2中的实心点）和每厘米可施加的电压（最大电场，E最大)（图 2 中的空心点）被发现变宽。由此，他们发现，通过降低Sc/(Sc+Al)比，即降低钪浓度，即使偏振态反复反转，也可以实现两种状态之间的稳定切换。
图 2 每厘米电压变为相反极化状态（矫顽电场，Ec)（中间油漆点）和每厘米可施加的电压（最大电场，E最大)（空心点）与薄膜中Sc/(Sc+Al)比的关系
此外，对于迄今为止一直存在的问题，为了降低功耗而必须进行的薄膜减薄，我们首次发现，即使膜厚度减少到48 nm（约为传统厚度的三分之一），也可以保持高铁电特性（图3（a））。此外，我们还发现，即使是 9 nm 的更薄薄膜也表现出铁电性。非线性介电常数显微镜（第 2 项）（图 3 (b) 和 (c)）。
图3(a)当各种铁电材料与电源断开时，每1cm x 1cm剩余电容（残余极化值）的膜厚度依赖性。
本次确认的剩余极化值是典型的铁电体Pb(Zr)0.2钛0.8)O3的两倍多。
(b) 对9 nm厚的薄膜施加+6V，然后仅对部分区域施加-6V的示意图。
(c) 相同范围的非线性介电常数显微图像。在图像中确认了对应于两种偏振状态的对比度，并且确认了可以通过施加电压来反转偏振。
此结果预计会产生以下连锁反应。
a) 加速低功耗铁电存储器的实际应用
使用铁电材料的内存 (铁电存储器：术语3）由于其低功耗和高速运行长期以来被认为是“理想存储器”和“终极存储器”。然而，迄今为止研究和应用的铁电材料均存在薄膜制备困难、铁电性低、控制方法难以建立等问题。
本研究的主题氮化铝钪因其比传统材料具有更高的铁电性且易于制造而备受关注。它不仅具有铁电材料中最高的铁电性，而且还可以在最高的温度下使用，因此有望在广泛的存储器应用中得到应用。
b) 有望用作 IoT 设备的内存
随着物联网的普及，传感器将遍布各处，即使在出生率下降和人口老龄化的情况下，这也有望创造一个安全可靠的社会。在这种情况下，创建能够以低功耗存储传感器数据的存储器，而不是传统的高速、高度集成的存储器就变得非常重要。
铁电存储器是一种非易失性存储器，其运行功耗最低，几乎不消耗电力来存储数据。这项研究有望推动这种低功耗存储器的实际应用。
此外，利用传统的氧化铪存储器，人们正在考虑创建具有复杂三维形状的薄膜。此次研究的氮化铝钪薄膜具有高铁电性，因此无需将其制成这样的三维形状，并且可以将其作为夹在电极之间的简单结构的存储器投入实际使用，有望降低成本。
c) 预计适用于新设备
氮化铝钪已作为智能手机的高频滤波器投入实际应用，利用其将电能转化为机械能的压电特性。有了这个结果，现在就可以控制偏振方向，因此我们可以期待以前从未存在过的新应用。
已出版的杂志：应用物理学杂志
论文标题：沉积条件对 (Al1-xScx)N薄膜
※日文翻译：(Al1-xScx)沉淀条件对N薄膜铁电性的影响
作者：Shinnosuke Yasuoka、Takao Shimizu、Akinori Tateyama、Masato Uehara、Hiroshi Yamada、Morito Akiyama、Yoshiomi Hiranaga、Yasuo Cho 和 Hiroshi Funakubo
DOI：101063/50015281
本研究的一部分是文部科学省“要素战略项目（研究中心组建型）”（项目编号 JPMXP0112101001）的一部分。