近日，深圳校區(qū)前沿學(xué)部材料科學(xué)與工程學(xué)院陳祖煌教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合西湖大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所等單位，通過(guò)界面設(shè)計(jì)的調(diào)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(jìn)展。研究成果以《界面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)鉿鋯氧化物超薄薄膜的無(wú)疲勞鐵電性》(Fatigue-free ferroelectricity in Hf0.5Zr0.5O2 ultrathin films via interfacial design)為題發(fā)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(jī)制，更發(fā)展出可顯著提升其可靠性的界面設(shè)計(jì)策略，深化了對(duì)鉿基鐵電材料的認(rèn)知，為鉿基鐵電器件在非易失性存儲(chǔ)器等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
 

　　在算力需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的時(shí)代，鐵電存儲(chǔ)器因其非易失存儲(chǔ)特性和低功耗優(yōu)勢(shì)，成為神經(jīng)形態(tài)計(jì)算和存內(nèi)計(jì)算架構(gòu)的可靠選擇。其中，鉿基鐵電存儲(chǔ)器，憑借其與標(biāo)準(zhǔn)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝的完美兼容性以及優(yōu)異的三維集成能力，展現(xiàn)出卓越的性能潛力。然而，對(duì)比傳統(tǒng)的鐵電器件，鉿基鐵電器件的可靠性問(wèn)題尤為突出：鉿基鐵電器件在經(jīng)歷106次讀寫循環(huán)后即出現(xiàn)顯著的疲勞效應(yīng)(可反轉(zhuǎn)極化值逐漸降低)，導(dǎo)致讀寫窗口急劇減小；操作次數(shù)達(dá)108次時(shí)，薄膜漏電流密度顯著增加，進(jìn)一步導(dǎo)致?lián)舸瑖?yán)重威脅器件使用壽命。因此，鉿基鐵電存儲(chǔ)器的可靠性問(wèn)題(抗疲勞特性和耐久性)，成為制約其發(fā)展的關(guān)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(xué)性能表現(xiàn)
 

氧化鈰/鉿鋯氧化物(CeO2-x/HZO)異質(zhì)界面及相結(jié)構(gòu)狀態(tài)觀測(cè)
 

　　針對(duì)上述問(wèn)題，陳祖煌教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地構(gòu)建了氧化鈰/鉿鋯氧化物(CeO2-x/HZO)共格異質(zhì)界面，利用氧化鈰(CeO2-x)的多價(jià)態(tài)特性實(shí)現(xiàn)氧空位的動(dòng)態(tài)調(diào)控，抑制界面處的鐵電-順電相變，突破傳統(tǒng)鉿基鐵電器件的疲勞瓶頸。研究團(tuán)隊(duì)首次揭示了氧缺陷定向遷移對(duì)鉿基鐵電器件可靠性的重要影響。團(tuán)隊(duì)通過(guò)構(gòu)建對(duì)稱電極的界面設(shè)計(jì)降低內(nèi)建電場(chǎng)，從而抑制缺陷定向移動(dòng)，提升循環(huán)穩(wěn)定性。基于這一雙重防護(hù)機(jī)制，在保證器件完全翻轉(zhuǎn)的前提下，鉿基鐵電器件實(shí)現(xiàn)了1011次的無(wú)疲勞翻轉(zhuǎn)(極化損失<5%)和1012次的穩(wěn)定循環(huán)(未擊穿)，且循環(huán)過(guò)程無(wú)需編程再生和熱處理復(fù)活，這突破了鉿基鐵電器件的可靠性極限。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化的鉿基鐵電器件兼具高極化、低矯頑場(chǎng)、低漏電流和優(yōu)異溫度穩(wěn)定性，是集成全性能的“六邊形戰(zhàn)士”型鐵電器件。
 

　　內(nèi)建電場(chǎng)與器件穩(wěn)定性表象的定性關(guān)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(xué)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(xiàn)

 

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