華東師大Science！暨南大學Nature！

1、華東師大《科學》發文：鐵電翻轉不再“齊步走”

7月3日，華東師范大學信息與電子工程學院（集成電路科學與工程學院）、極化材料與器件教育部重點實驗室成巖教授/吳宇寧教授團隊，在纖鋅礦型AlScN新型鐵電極化翻轉機制研究方面取得重要進展，相關成果以"Alternating atomic-dipole layers and switching dynamics in Al???Sc?N ferroelectrics" 為題發表于國際頂級學術期刊 《科學》（Science）。

克服極高能壘的翻轉困局

鐵電材料之所以能存儲數據，關鍵在于其內部的極化狀態可以通過外加電場進行翻轉，就像無數個可以微觀控制的開關。

在眾多候選材料中，纖鋅礦結構的氮化鈧鋁（AlScN）因具備大極化強度、優異的熱穩定性，且能與現有的半導體工藝完美兼容，被科學界認為是面向下一代微電子芯片的極具潛力關鍵材料之一。

然而，要讓這一材料順暢工作，科學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發生在強共價鍵合的四面體晶格中。按照傳統的集體離子位移模型，要讓這些原子‘齊步走’一樣同時翻轉，需要克服極高能壘”，華東師范大學成巖教授介紹道。

雖然此前實驗表明，引入鈧（Sc）原子能夠降低翻轉所需的電場（矯頑場），但其背后的微觀動力學機理長期缺乏直接的實驗證據。這成為了制約該材料走向實際器件調控的核心科學難題。

建立原子級化學有序

和翻轉動力學之間的直接關聯

為了解開這個謎團，科研團隊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AlScN薄膜內部的局域原子偶極矩進行了高精度的定量表征。更進一步的是，團隊在原位條件下，實時追蹤了原子級極化翻轉的全過程。

實驗結果令研究人員感到振奮——原子的翻轉并非傳統想象中的“齊步走”。

聯合團隊首次在AlScN體系中建立起原子級化學有序和翻轉動力學之間的直接關聯。他們發現，在強鍵合、非傳統鐵電晶格中，局域化學有序和原子層尺度的偶極調制可以成為調控極化翻轉的關鍵鑰匙。

“簡單來說，它不是集體的整齊改變，而是通過局域的、層狀的交替調制，重構了極化勢壘，讓翻轉變得更輕巧。”成巖解釋說，“這一全新機制不僅拓展了鐵電物理的基本圖景，也讓我們對強鍵合纖鋅礦鐵電體的本質有了顛覆性的認識。”

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

Al1-xScxN薄膜組分調制鐵電特性的原子尺度結構起源：(A)-(C) 表明隨Sc濃度升高，鐵電電滯回線和開關電流發生顯著變化。(D)-(F) 的原子級成像則揭示相鄰層間距隨Sc濃度的演變。

時間分辨原子尺度極化動力學翻轉過程：(A)(B) 極化翻轉過程中原子級成像及對應的極化方向分布圖，清晰呈現了疇壁結構。(C)(D) 通過原位跟蹤同一晶胞隨時間的演變，揭示了極化翻轉動態過程及相鄰層間距的實時變化。

原子尺度極化翻轉的能壘景觀： (A)-(D) 表明AlScN中存在通過多個中間態的分步翻轉路徑，其能壘明顯低于協同翻轉路徑。 (E)-(G)表明Sc原子聚集對形成中間態并降低翻轉壘有直接影響。

開啟微電子芯片材料設計新路徑

這項硬核發現，不僅是一次理論突破，更為產業界帶來了巨大的想象空間。

長期以來，新型氮化物鐵電材料的結構設計多依賴于試錯式的經驗探索。而隨著這一全新機制的揭示，材料設計將正式走向基于原子尺度機制的可預測設計。

通過精確調控摻雜原子的局域分布、陽離子有序度以及原子層結構，科研人員有望在維持材料高熱穩定性和半導體兼容性等優點的同時，進一步降低器件的工作電壓、提升極化的可控性，為發展高性能鐵電存儲器、低功耗邏輯器件、高溫電子器件等微電子芯片開辟了新的材料設計路徑。

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

這項成果的誕生，得益于多支青年科研團隊的強強聯合與高效協同。論文聯合復旦大學集成電路與微納電子創新學院劉明院士、劉琦教授、魏瑩芬青年研究員團隊，共同通訊作者為華東師范大學成巖教授、吳宇寧教授和復旦大學魏瑩芬青年研究員，共同第一作者為華東師范大學鄭勇輝副教授、白瑞榮博士、辛天驕博士和復旦大學博士研究生趙軒宇。論文重要合作者包括華東師范大學段純剛教授、浙江大學田鶴教授、安徽大學葛炳輝教授，以及復旦大學劉明院士、劉琦教授、陳時友教授。

該研究得到了國家自然科學基金委、國家重點研發計劃、上海市科委等項目的支持，以及華東師范大學公共服務創新平臺微納加工中心和高性能計算中心的支持。

2、暨南大學俞鵬飛團隊Nature：首次揭示中小火山和極端野火事件，增濕平流層的觀測證據

7月1日，暨南大學環境與氣候學院俞鵬飛教授團隊聯合蘭州大學、中科院大氣所、美國國家大氣研究中心（NCAR）、美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）、科羅拉多大學博爾德分校等機構，在國際頂級綜合性學術期刊《自然》（Nature）正刊在線發表題為“Moderate Volcanic Eruptions and Extreme Wildfires Humidify the Stratosphere”的研究論文。

俞鵬飛教授作報告

本研究首次在真實大氣觀測中，為氣候模式長期預言的關鍵機制提供了系統性證據：火山噴發和極端野火產生的氣溶膠，可通過加熱熱帶對流層頂，使更多水汽進入平流層。這一成果填補了平流層水汽研究領域長期存在的“觀測—模式鴻溝”，將相關科學問題從“這一過程是否真實存在”，推進到“模式能否準確刻畫這一過程、如何進一步提高模擬精度”的新階段。研究還發現，中等規模火山噴發和極端野火可解釋2005年以來平流層水汽上升趨勢的超過三分之一，其貢獻與地表變暖相當。這表明，過去相對被低估的間歇性氣溶膠事件，能夠對平流層水汽的長期變化產生重要影響。

平流層水汽變化中的一個長期問題：

火山野火讓平流層“變濕”

平流層水汽含量很低，但對地球氣候系統具有重要影響。作為一種溫室氣體，平流層水汽會影響地球變暖速率，并通過調節平流層溫度進一步影響氣候系統。已有研究表明，2000年前后平流層水汽曾突然下降約10%，其抵消的增溫效應相當于2000年至2009年間溫室氣體所致變暖的四分之一。同時，平流層水汽還參與平流層臭氧化學過程，關系到臭氧層變化和臭氧洞恢復評估的可靠性。

長期以來，氣候模式可以清晰模擬出大型火山噴發后平流層水汽增加的過程：火山氣溶膠進入高空后，加熱熱帶對流層頂附近區域，使更多水汽進入平流層。然而，在真實大氣觀測中，這一過程長期缺乏直接證據。

過去，科學界通常認為，如果火山噴發能夠造成平流層增濕，大型火山事件應當最容易被觀測到。然而，即便是1991年皮納圖博火山噴發，觀測中也未能清晰識別出火山導致平流層水汽增加的信號。為什么氣候模式中清楚存在的過程，在真實大氣中卻長期難以觀測到？這成為平流層水汽研究領域一個長期懸而未決的問題。

火山爆發圖

從復雜自然變率中把氣溶膠影響“拎”出來

研究團隊的突破首先來自研究思路的轉變。過去二十年里，地球經歷了一系列中等規模火山噴發事件，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。與此同時，極端野火事件也不斷向平流層輸送氣溶膠。

中等規模火山單次釋放的氣溶膠總量不及大型火山，但其氣溶膠往往更集中在熱帶對流層頂附近，而這里正是水汽進入平流層的關鍵區域。這意味著，中等規模火山的增濕效率可能并不低。另一方面，單次中等規模事件的水汽信號較弱，容易被大氣自然變率掩蓋，難以單獨識別。因此，研究團隊轉向多事件合成分析，將2005年至2021年間多次中等規模火山噴發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。也就是說，研究不再依賴某一次強事件是否足夠明顯，而是通過多次事件的共同響應，識別真實大氣中反復出現的物理過程。

真正的挑戰在于，平流層水汽并不會只受火山和野火影響。大氣內部諸多動力變化過程，都會改變平流層水汽含量。火山和野火造成的水汽響應，往往疊加在這些自然波動之上，且大小相當，難以直接識別。

為此，研究團隊采用多事件合成分析和改進的重采樣統計方法。團隊先確定受火山噴發或極端野火影響的時期，再從沒有明顯氣溶膠擾動的時期中，篩選出氣候背景盡量相似的月份作為對照，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結果中“控制變量”。這樣一來，如果受火山或野火影響的時期仍表現出更高的平流層水汽，就可以更可靠地判斷，這一增濕信號并非自然變率“碰巧”造成，而是與火山和野火氣溶膠有關。

結果顯示，在利用統計方法排除主要自然變率影響后，受火山和野火影響的時期仍表現出顯著的平流層增濕信號。進一步的衛星觀測診斷表明，這一增濕過程與氣溶膠增加、熱帶對流層頂升溫相對應，符合“氣溶膠加熱—對流層頂升溫—平流層水汽增加”的物理鏈條。由此，研究團隊在真實大氣中識別出氣溶膠事件導致平流層增濕的共同信號，證明這一長期存在于氣候模式中的過程真實發生在大氣中。

火山野火事件引起顯著的平流層水汽增加

極端野火打開平流層水汽的熱帶外新通道

驗證機制存在只是第一步，更重要的是評估其影響大小。研究發現，2005年以來，中等規模火山噴發和極端野火共同解釋了觀測到的平流層水汽上升趨勢的超過三分之一，其貢獻與全球氣候變暖相當。這說明，火山噴發和極端野火這類間歇性氣溶膠事件，并非只會造成短期擾動，也能夠在較長時間尺度上影響平流層水汽變化。

研究還表明，2005年至2021年間，多次中等規模火山噴發和極端野火累積增加的平流層水汽總量，與2022年湯加火山噴發直接注入平流層的水汽量處于同一量級。湯加火山噴發因直接向平流層注入大量水汽而受到廣泛關注，而本研究指出，即便沒有類似湯加火山這樣罕見而劇烈的單次事件，多次中等規模火山噴發和極端野火的累積效應同樣不可忽視。

平流層水汽時間演變的重建

極端野火在本研究中呈現出獨特作用。以2020年澳大利亞“黑色夏季”野火為例，模擬結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加熱熱帶對流層頂溫度，打開平流層水汽“閥門”，促進更多水汽進入平流層；研究還發現了野火氣溶膠可通過吸收輻射發生“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，打開新的中緯度傳輸通道。

這一發現拓展了人們對平流層水汽來源的認識。過去，研究一般認為熱帶對流層頂是水汽進入平流層的主要通道；而本研究表明，極端野火還可能通過中緯度煙羽“自抬升”過程，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險上升，野火導致的平流層增濕過程可能在未來變得更加重要。

從模式到觀測，再從觀測回到模式

這項研究填補了平流層水汽研究的觀測空白，為后續工作開辟了清晰方向。過去，由于缺少觀測證據，科學界難以判斷“氣溶膠加熱—平流層增濕”過程是否真實存在。觀測證據的確立使問題進入新階段：模式能否準確刻畫這一過程？如何改進模式以更好地捕捉它？

展望未來，隨著全球變暖加劇，極端野火風險持續上升。如果野火導致的平流層增濕進一步增強，而當前的氣候預測和臭氧恢復研究仍將其排除在外，可能產生系統性偏差。研究團隊將繼續圍繞這一問題推進，評估氣溶膠間接增濕效應對平流層氣溶膠演變及其氣候—環境效應的影響，為更精準的氣候預測和臭氧層恢復評估提供科學依據。

俞鵬飛和博士合影

該研究也對平流層氣溶膠地球工程的風險評估具有啟示意義。人為向平流層注入氣溶膠雖然已經被現實火山案例和氣候模式證實其有效性，但該研究也提示這些氣溶膠也可能通過影響平流層水汽和臭氧化學過程帶來更復雜的氣候與環境效應，因此在相關技術討論中有必要充分評估這些潛在風險。

論文第一署名單位為暨南大學。蘭州大學彭藝峰博士在訪問暨南大學期間參與完成該研究，并擔任論文第一作者；暨南大學俞鵬飛教授為唯一通訊作者。該研究受到國家重點研發計劃項目（2024YFF0808501）等項目的資助。

來源：華東師范大學、暨南大學