本論文探索並開發原子層工程對奈米薄膜結晶與電學特性的影響，包括結晶結構的變化、氧空缺含量、介電特性、以及晶粒的平均尺寸與分佈等等，用以調整鐵電(ferroelectric)、反鐵電(antiferroelectric)和順電結晶相之間的變態相界(morphotropic phase boundary, MPB)效應，如圖1所示。本研究的原子層工程是通過原子層沉積(atomic layer deposition, ALD)過程中表面的自限制(self-limiting)化學反應來實現。研究顯示，HfO2 種子層所扮演的角色十分重要，通過僅增加 2 個原子層的 HfO2 種子層，使得 ZrO2 經歷了跨越 MPB 的劇烈相變；其顯著的反鐵電到鐵電相轉換，可歸因於 HfO2 種子層施加給 ZrO2 的強烈面內拉應力(in-plane tensile stress)，如圖2與圖3所示。此厚度小於6 nm的薄膜具有顯著的鐵電特性，包括創紀錄的高殘餘電極化量(2Pr ≈ 60 μC/cm2)、無需喚醒(wake-up-free)操作、以及與先進半導體技術節點的高度相容性等優勢，其出色的鐵電特性與低熱預算(low thermal budget)可進一步應用於下世代非揮發性記憶體元件。此外，根據氦離子顯微鏡(helium ion microscopy)所提供的表面晶粒之高解析度和高對比度圖像，我們首次證實 MPB 效應隨晶粒大小在tetragonal、orthorhombic、以及monoclinic三種結晶相之間的演變；研究結果指出，平均晶粒尺寸的縮小推動了從tetragonal結晶相到具有極性的orthorhombic結晶相的相轉換，如圖3所示。本研究顯示可以通過精確到原子級的材料控制來調控跨越 MPB 的相變換，不僅加深了對於鐵電材料及其在先進半導體技術節點應用的理解，而且展現了原子層工程的重要性，並可進一步擴展到各個研究和應用領域。（材料系陳敏璋教授提供）
圖 1. 金屬-絕緣層-金屬(MIM)元件和奈米ZrO2薄膜的相轉變之示意圖。
圖 2. H4Z 與 H6Z MIM元件的極化量、電流、以及介電係數與施加電壓的關係曲線。當 HfO2 種子層的原子層數目由 4 個增加到 6 個 ALD cycle 時，發生顯著的反鐵電到鐵電相轉變。在 H6Z 樣品中可以觀察到相當明顯的鐵電殘餘電極化量，高達2Pr ≈ 60 μC/cm2。
圖 3. ZrO2 晶粒大小的平均值和標準差與 HfO2 種子層中原子層數目的關係，顯示當 HfO2 種子層中原子層數目為6時，晶粒尺寸的平均值和標準差最小。H6Z 樣品的out-of-plane、grazing incident、以及 in-plane X光繞射圖譜，其中X光繞射峰的顯著位移顯示 H6Z 樣品中存在面內拉伸應力。