近日，太阳成集团122ccvip聂越峰教授团队在硅基集成电光材料领域取得重要突破。研究团队在国内首次采用氧化物分子束外延（OMBE）技术，成功在硅衬底上外延制备出2英寸高质量钛酸钡（BaTiO3, BTO）单晶薄膜，并实现对铁电畴结构的精准调控，为下一代光子芯片的发展提供了关键材料基础。
研究背景：硅基光子集成关键材料亟待突破
随着人工智能与高性能计算需求的飞速增长，光子集成技术因其高速、低功耗等优势成为突破传统电子芯片性能瓶颈的重要方向。钛酸钡（BTO）薄膜具有极高的电光系数（约为铌酸锂的30倍）和良好的硅兼容性，能够实现器件尺寸的显著微缩，满足高集成度光互连及光量子计算等技术的需求，被视为下一代硅基光电子器件的理想材料。然而，实现高质量、晶圆级BTO薄膜的硅基外延制备面临界面氧化和晶格失配等关键技术挑战。国际上，瑞士Luminephase基于BTO开发出40 GHz电光调制器；美国PSI Quantum采用12英寸BTO晶圆构建光量子计算平台，融资已超过6.65亿美元。在美国、欧盟等加速推进该领域研发与产业布局的背景下，我国此前尚未实现晶圆级BTO薄膜的硅基外延制备。
核心突破：原位揭示晶格弛豫过程，实现极化取向精准调控
基于团队在氧化物分子束外延（OMBE）技术方面的长期积累，本研究以钛酸锶(SrTiO3,STO)为应变缓冲层，在硅衬底上成功制备出2英寸高质量BTO薄膜。团队创新性地利用原位反射高能电子衍射（RHEED）技术，实时监测并定量分析了薄膜生长过程中的晶格弛豫动力学行为：
STO缓冲层在约4.9 nm厚度内完成弛豫，面内晶格常数从3.874 Å增至3.905 Å
BTO薄膜在30 nm厚度内持续弛豫，面内晶格常数从3.905 Å弛豫至4.013 Å
低热膨胀系数硅衬底的约束效应使冷却后的BTO薄膜保持较大的面内晶格常数（4.009 Å）
通过精确调控应变状态，研究成功诱导BTO薄膜形成面内主导的极化畴结构（c/a=0.994<1）。压电力显微镜（PFM）表征显示横向信号显著强于垂直模式，证实了面内极化占优的畴构型。该面内极化取向为优化横向电场几何下的电光系数提供了关键条件。
图1：晶圆级硅基BTO薄膜的分子束外延制备与表征
意义与展望：为高性能硅基光电子器件与应用奠定材料基础
本研究取得了三个方面的积极成果：
材料制备突破：首次在国内实现2英寸晶圆级BTO薄膜的硅基外延生长，薄膜质量优异（表面粗糙度<0.2 nm，折射率虚部小于仪器下限10-6）
表征方法创新：通过原位RHEED技术揭示了晶格弛豫的动态过程，为畴结构调控提供了实时原位视角
性能优化基础：获得的面内极化畴构型有利于最大化BTO材料的电光效应
该项工作填补了国内BTO硅基外延技术空白，为开发高速、低功耗、高集成度电光器件提供了关键材料平台，对推动我国光通信、光互连及光量子计算等技术的发展具有重要意义。
相关研究成果被邀稿以《硅基BaTiO3外延薄膜的晶格弛豫行为与畴结构调控》为题发表于《硅酸盐学报》（DOI: 10.14062/j.issn.0454-5648.20250426），并入选第二十七届中国科协年会影响力提名论文。太阳成集团122ccvip博士生许多为论文第一作者，聂越峰教授为通讯作者，邓昱副教授为本工作提供了重要的电镜表征支持。祝世宁院士、陈延峰教授与吴迪教授对该工作给予了重要指导。研究工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、教育部"长江学者奖励计划"等项目的资助。此外，太阳成集团122ccvip固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心以及江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室及江苏省物理科学研究中心对该研究也给予了重要支持。
