近日，复旦大学安正华教授、李文武研究员、郑长林教授等研究者首次采用石墨纳米片作为Hf0.1Zr0.9O2基非易失性存储器的光敏顶电极，通过光热释电效应实现了非破坏性光学读取。研究成果以“Self-powered photo-pyroelectric sensing in antiferroelectric Hafnium zirconium memory with asymmetric van der Waals electrodes”为题，发表在Nature Communication上。

图1. NC官网截图

       铪锆氧化物因其可调控相变特性、高开关速度、高耐久性及与硅工艺的兼容性，在神经形态计算和非易失性存储等新兴应用领域展现出巨大潜力。然而，反铁电HZO薄膜的剩余极化较低，传统电脉冲读出往往具有破坏性，严重影响器件寿命。团队在反铁电Hf0.1Zr0.9O2薄膜中引入石墨烯纳米片作为光热电极，不对称电极产生的功函数差导致反铁电Hf0.1Zr0.9O2薄膜中出现了内置电场，在Hf0.1Zr0.9O2中实现极化和非极化状态的非易失切换。此外，利用石墨的光-热转换和Hf0.1Zr0.9O2的热释电性，实现了自供能、无损的光学读出。器件展现出无唤醒效应、优异的耐疲劳性及电压可编程的光热释电响应，为光子兼容的非易失存储与逻辑功能提供了新路径。 

图2. 器件结构与内建偏置场驱动的光-热释电读出机理

       复旦大学微纳加工与器件公共实验为器件的制备和表征提供了核心技术支持。研究团队通过无掩膜紫外光刻（TTT-07-UV Litho-ACA ）和磁控溅射系统（DE500）制备40nm的W电极。利用原子层沉积系统（R-200） 在230°C下精确生长8nm厚的Hf₀.₁Zr₀.₉O₂薄膜，使用TEMAH、TEMAZ和H₂O作为前驱体和氧气源，保证了薄膜的均匀性。快速热退火（AW410） 在N₂氛围下600°C退火30秒实现结晶。表征材料性质时，使用了台阶仪（Dektak XT）测量电极厚度、激光共聚焦显微拉曼光谱仪（HR EVOLUTION）评估石墨的缺陷或杂质。器件电学性质则使用了半导体参数测试仪（keithley 4200A）对铁电和热释电等特性进行了评估。

图3. 无掩膜紫外光刻和原子层沉积系统

       复旦大学物理系安正华研究员、郑长林教授、复旦大学未来信息技术学院光电研究所李文武研究员、微纳加工与器件公共实验室朱丽萍工程师为共同通讯，博士生甘霞为第一作者。器件加工测试得到微纳加工与器件公共实验室的支持。

论文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-025-67575-x