近日，哈工大深圳校區(qū)前沿學(xué)部材料科學(xué)與工程學(xué)院陳祖煌教授團(tuán)隊聯(lián)合西湖大學(xué)、中國科學(xué)院金屬研究所等單位，通過界面設(shè)計的調(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)計實現(xiàn)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(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)計策略，深化了對鉿基鐵電材料的認(rèn)知，為鉿基鐵電器件在非易失性存儲器等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。

在算力需求呈指數(shù)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(yōu)勢，成為神經(jīng)形態(tài)計算和存內(nèi)計算架構(gòu)的可靠選擇。其中，鉿基鐵電存儲器，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，對比傳統(tǒng)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(jīng)歷10?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??；操作次數(shù)達(dá)10?次時，薄膜漏電流密度顯著增加，進(jìn)一步導(dǎo)致?lián)舸?，?yán)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(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

針對上述問題，陳祖煌教授團(tuán)隊創(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）的多價態(tài)特性實現(xiàn)氧空位的動態(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(tuán)隊通過構(gòu)建對稱電極的界面設(shè)計降低內(nèi)建電場，從而抑制缺陷定向移動，提升循環(huán)穩(wěn)定性?；谶@一雙重防護(hù)機(jī)制，在保證器件完全翻轉(zhuǎn)的前提下，鉿基鐵電器件實現(xiàn)了1011次的無疲勞翻轉(zhuǎn)（極化損失<5%）和1012次的穩(wěn)定循環(huán)（未擊穿），且循環(huán)過程無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，通過優(yōu)化的鉿基鐵電器件兼具高極化、低矯頑場、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。該研究工作獲得國家自然科學(xué)基金、廣東省區(qū)域聯(lián)合基金重點項目和深圳市科技創(chuàng)新項目的支持。