【儀表網 研發快訊】近日，深圳校區前沿學部材料科學與工程學院陳祖煌教授團隊聯合西湖大學、中國科學院金屬研究所等單位，通過界面設計的調控方式，在鉿基超薄鐵電器件的可靠性研究中獲得突破性進展。研究成果以《界面設計實現鉿鋯氧化物超薄薄膜的無疲勞鐵電性》(Fatigue-free ferroelectricity in Hf0.5Zr0.5O2 ultrathin films via interfacial design)為題發表在《自然通訊》(Nature Communications)上。該研究不僅揭示了鉿基鐵電器件的疲勞失效機制，更發展出可顯著提升其可靠性的界面設計策略，深化了對鉿基鐵電材料的認知，為鉿基鐵電器件在非易失性存儲器等領域的應用奠定了堅實基礎。
 

　　在算力需求呈指數級增長的時代，鐵電存儲器因其非易失存儲特性和低功耗優勢，成為神經形態計算和存內計算架構的可靠選擇。其中，鉿基鐵電存儲器，憑借其與標準互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝的完美兼容性以及優異的三維集成能力，展現出卓越的性能潛力。然而，對比傳統的鐵電器件，鉿基鐵電器件的可靠性問題尤為突出：鉿基鐵電器件在經歷106次讀寫循環后即出現顯著的疲勞效應(可反轉極化值逐漸降低)，導致讀寫窗口急劇減小；操作次數達108次時，薄膜漏電流密度顯著增加，進一步導致擊穿，嚴重威脅器件使用壽命。因此，鉿基鐵電存儲器的可靠性問題(抗疲勞特性和耐久性)，成為制約其發展的關鍵因素。
 

氧化鈰/鉿鋯氧化物(CeO2-x/HZO)器件的原子尺度解析及電學性能表現
 

氧化鈰/鉿鋯氧化物(CeO2-x/HZO)異質界面及相結構狀態觀測
 

　　針對上述問題，陳祖煌教授團隊創造性地構建了氧化鈰/鉿鋯氧化物(CeO2-x/HZO)共格異質界面，利用氧化鈰(CeO2-x)的多價態特性實現氧空位的動態調控，抑制界面處的鐵電-順電相變，突破傳統鉿基鐵電器件的疲勞瓶頸。研究團隊首次揭示了氧缺陷定向遷移對鉿基鐵電器件可靠性的重要影響。團隊通過構建對稱電極的界面設計降低內建電場，從而抑制缺陷定向移動，提升循環穩定性。基于這一雙重防護機制，在保證器件完全翻轉的前提下，鉿基鐵電器件實現了1011次的無疲勞翻轉(極化損失<5%)和1012次的穩定循環(未擊穿)，且循環過程無需編程再生和熱處理復活，這突破了鉿基鐵電器件的可靠性極限。同時，通過優化的鉿基鐵電器件兼具高極化、低矯頑場、低漏電流和優異溫度穩定性，是集成全性能的“六邊形戰士”型鐵電器件。
 

　　內建電場與器件穩定性表象的定性關系以及鑭鍶錳氧化物/氧化鈰/鉿鋯氧化物(LSMO/CeO2-x/HZO)器件的電學性能

 

　　鑭鍶錳氧化物/氧化鈰/鉿鋯氧化物(LSMO/CeO2-x/HZO)器件的可靠性表現

 

　　哈工大深圳校區為論文第一完成單位。深圳校區周超博士、中國科學院金屬研究所馮燕朋博士、西湖大學馬麗洋博士為論文共同第一作者。深圳校區陳祖煌教授、西湖大學劉仕教授和中國科學院金屬研究所唐云龍研究員為論文通訊作者。大灣區量子研究中心黃浩亮副研究員和印度科學學院蘇吉(Sujit Das)教授等參與相關研究工作。該研究工作獲得國家自然科學基金、廣東省區域聯合基金重點項目和深圳市科技創新項目的支持。