哈工大陈祖煌教授团队通过界面设计突破铪基铁电器件可靠性极限

（阚思邈 谢梁晖 周超 王舒邈/文 周超/图）近日，深圳校区前沿学部材料科学与工程学院陈祖煌教授团队联合西湖大学、中国科学院金属研究所等单位，通过界面设计的调控方式，在铪基超薄铁电器件的可靠性研究中获得突破性进展。研究成果以《界面设计实现铪锆氧化物超薄薄膜的无疲劳铁电性》（Fatigue-free ferroelectricity in Hf_0.5Zr_0.5O₂ ultrathin films via interfacial design）为题发表在《自然通讯》（Nature Communications）上。该研究不仅揭示了铪基铁电器件的疲劳失效机制，更发展出可显著提升其可靠性的界面设计策略，深化了对铪基铁电材料的认知，为铪基铁电器件在非易失性存储器等领域的应用奠定了坚实基础。

在算力需求呈指数级增长的时代，铁电存储器因其非易失存储特性和低功耗优势，成为神经形态计算和存内计算架构的可靠选择。其中，铪基铁电存储器，凭借其与标准互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺的完美兼容性以及优异的三维集成能力，展现出卓越的性能潜力。然而，对比传统的铁电器件，铪基铁电器件的可靠性问题尤为突出：铪基铁电器件在经历10⁶次读写循环后即出现显著的疲劳效应（可反转极化值逐渐降低），导致读写窗口急剧减小；操作次数达10⁸次时，薄膜漏电流密度显著增加，进一步导致击穿，严重威胁器件使用寿命。因此，铪基铁电存储器的可靠性问题（抗疲劳特性和耐久性），成为制约其发展的关键因素。

氧化铈/铪锆氧化物（CeO₂-x/HZO）器件的原子尺度解析及电学性能表现

氧化铈/铪锆氧化物（CeO_2-x/HZO）异质界面及相结构状态观测

针对上述问题，陈祖煌教授团队创造性地构建了氧化铈/铪锆氧化物（CeO₂-x/HZO）共格异质界面，利用氧化铈（CeO_2-x）的多价态特性实现氧空位的动态调控，抑制界面处的铁电-顺电相变，突破传统铪基铁电器件的疲劳瓶颈。研究团队首次揭示了氧缺陷定向迁移对铪基铁电器件可靠性的重要影响。团队通过构建对称电极的界面设计降低内建电场，从而抑制缺陷定向移动，提升循环稳定性。基于这一双重防护机制，在保证器件完全翻转的前提下，铪基铁电器件实现了10¹¹次的无疲劳翻转（极化损失<5%）和10¹²次的稳定循环（未击穿），且循环过程无需编程再生和热处理复活，这突破了铪基铁电器件的可靠性极限。同时，通过优化的铪基铁电器件兼具高极化、低矫顽场、低漏电流和优异温度稳定性，是集成全性能的“六边形战士”型铁电器件。

内建电场与器件稳定性表象的定性关系以及镧锶锰氧化物/氧化铈/铪锆氧化物（LSMO/CeO₂-x/HZO）器件的电学性能

镧锶锰氧化物/氧化铈/铪锆氧化物（LSMO/CeO₂-x/HZO）器件的可靠性表现

哈工大深圳校区为论文第一完成单位。深圳校区周超博士、中国科学院金属研究所冯燕朋博士、西湖大学马丽洋博士为论文共同第一作者。深圳校区陈祖煌教授、西湖大学刘仕教授和中国科学院金属研究所唐云龙研究员为论文通讯作者。大湾区量子研究中心黄浩亮副研究员和印度科学学院苏吉（Sujit Das）教授等参与相关研究工作。该研究工作获得国家自然科学基金、广东省区域联合基金重点项目和深圳市科技创新项目的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-63048-3