2023年3月16日，本课题组汪学沛、文伊晨等同学在权威期刊ACS Applied Materials &发表题为“Understanding the Effect of Top Electrode on Ferroelectricity in Atomic Layer Deposited Hf0.5Zr0.5O2 Thin Films”文章。

氧化铪基铁电材料在CMOS兼容性、开关速度、纳米级缩放特性等方面有显著优势，因此，在非易失性存储器件、负电容器件、神经形态计算等领域中具有巨大的应用潜力。

该工作通过原子层沉积制备了10nm的Hf0.5Zr0.5O2（HZO）膜，物理气相沉积沉积了三种不同的顶盖电极（W/MO/ITO）。电学测试发现，应变并不能完全控制器件的铁电性，进一步的压电力显微镜表征的结果排除了用于电测试的顶盖电极和界面的潜在干扰。此外，通过原子力显微镜表征和统计分析，发现顶部电极的晶粒尺寸与HZO薄膜的晶粒尺寸之间存在很强的相关性，顶部电极的粒度可以诱导HZO薄膜中晶粒尺寸的形成。通过第一性原理计算，得到当晶粒尺寸较大（>10nm）时，应变是铁电性的主导因素；当晶粒尺寸变薄（<10nm）时，晶粒尺寸的调节效应显著增加。这可能会为器件缩放带来一系列好处，如器件到器件的变化、薄膜均匀性和畴开关一致性。

这项工作不仅通过实验完善了顶电极对铪基薄膜铁电性的理解，而且进一步表明晶粒尺寸对铁电性有着重要影响。通过调控晶粒尺寸实现铁电性的精确调节、减少器件之间的差异，为未来纳米级器件和超薄铁电HZO膜的缩放提供了有力的理论支撑。