1.西安电子科技大学周益春教授团队在Advanced Functional Materials发表文章；

2.上海交大史志文课题组构建基于金属/半导体碳纳米管异质结的等离激元场效应晶体管；

3.中国科大提出单原子催化剂设计全新理论模型；

4.中国科大宋克柱团队提出新型高速串行通信误码率理论模型；

1.西安电子科技大学周益春教授团队在Advanced Functional Materials发表文章；

近日，西安电子科技大学先进材料与纳米科技学院周益春教授团队在国际材料领域著名学术期刊Advanced Functional Materials期刊上发布了以“Developing HZO-Based Superlattices to Enhance Fatigue-Resistance by Charge Injection Suppression”为题的研究成果。

随着人工智能、物联网和大数据等新兴信息技术的快速发展与普及，全球数据量呈现爆炸式增长，迫切需要更高容量、更高可靠性的非易失性存储器。材料院周益春教授团队以“Developing HZO-Based Superlattices to Enhance Fatigue-Resistance by Charge Injection Suppression”(DOI:10.1002/adfm.202501470)为题，在国际材料领域著名学术期刊Advanced Functional Materials上发布了线上研究成果。材料院博士生贾世杰、副教授廖佳佳为论文共同第一作者，周益春教授、廖佳佳副教授，湘潭大学姜杰副教授为共同通讯作者。研究工作依托西电材料院、陕西省空天高电子轨道材料与防护技术重点实验室等平台，研究工作受到国家自然科学基金、国家重点研发计划等基金支持。

传统信息存储技术在面对海量数据处理时已经接近其物理极限，难以满足日益增长的数据存储需求。氧化铪(HfO2)基铁电存储器由于与CMOS工艺完全兼容、超强尺寸微缩及低功耗等特性，已成为未来最具市场竞争力的新型存储器之一。

在过去十年中，研究人员已开发出包括铁电随机存取存储器、铁电场效应晶体管和铁电隧道结等非易失性存储器件，为后摩尔时代新型存储器的产业化应用提供了新的可能。然而，在数据反复的写入和擦除过程中，HfO2基铁电存储器频繁出现的薄膜疲劳失效现象，已成为阻碍其大规模产业化应用的“拦路虎”。

要攻克这一难题，实现高耐久性的铁电存储器，则必须深入探究铁电存储器件在信息擦写过程中铁电极化翻转的物理过程。其中，厘清极化翻转过程中漏电现象产生的物理机制，及其对击穿型疲劳失效造成的影响，显得尤为重要。

如何建立微观极化翻转过程与宏观电学性能失效之间的关联，并大幅提升铁电薄膜材料的抗疲劳性能，是摆在科研人员面前的一项极具挑战性难题。周益春教授研究团队借助层状异质结构的Hf0.5Zr0.5O2-ZrO2超晶格设计，对微观极化翻转过程中的电荷注入现象与宏观疲劳失效之间的关联机理进行了深入剖析与阐释。

基于此，成功制备出高耐久性(＞1012次电场循环)铁电薄膜材料，并同时具备低矫顽场(2Ec≈1.7 MV/cm)和快速极化翻转速度。这一成果为解决HfO2基铁电存储器疲劳失效问题奠定了理论基础，也为相关领域研究提供了新的解决思路。

研究团队制备并对比了如图1(a)三种不同异质层状HZO基铁电薄膜结构，采用压电力显微镜对电畴翻转特性进行表征，并结合如图2(a-c)电滞回线结果分析表明HZO-ZrO2铁电薄膜具有优异的铁电极化特性和较低的矫顽电压(图2(d))。其在饱和电压下的耐久性可达1012次循环，相对于HZO薄膜耐久性提升3个数量级以上。随着研究的深入，团队发现随着疲劳电场循环次数的增加，HZO-ZrO2铁电薄膜材料漏电机制逐渐趋于陷阱辅助隧穿模型(图2(g-i))，这证明了疲劳循环过程中带电缺陷的产生是诱发漏电流和导致击穿型疲劳失效的根本原因。并且该材料在不同疲劳循环次数下，均能保持相对较低的漏电流密度(图2(f))。

图1.三种结构的Hf0.5Zr0.5O2基薄膜电容器设计示意图、GIXRD图谱、TEM和PFM测试图

图2.三种结构Hf0.5Zr0.5O2基薄膜电滞回线、耐久性、漏电流及漏电流陷阱辅助隧穿拟合图

为深入剖析HZO-ZrO2铁电薄膜材料极化翻转过程中的漏电流产生机制，以及明确该机制对材料疲劳失效的影响。研究团队展开了进一步研究。结果表明，HZO-ZrO2铁电薄膜材料的极化翻转速度大幅提升(图3)，并且退极化场强度显著降低(图4)。这两大特性可有效缩减极化翻转过程中电荷注入的持续时长，并减弱电荷注入强度，进而抑制由电荷注入诱发的击穿型疲劳失效。此外，本文提出一种半定量方法，用以评估极化翻转过程中的电荷注入强度。研究发现，极化翻转过程中HZO-ZrO2铁电薄膜材料电荷注入强度极低，这也造就了该材料的高耐久性能。

图3.三种结构Hf0.5Zr0.5O2基薄膜极化翻转速度及Lorenz翻转动力学拟合结果图

图4.三种结构Hf0.5Zr0.5O2基薄膜退极化场、电荷注入强度及电荷注入原理示意图

2.上海交大史志文课题组构建基于金属/半导体碳纳米管异质结的等离激元场效应晶体管；

近日，上海交通大学史志文教授课题组与合作者在纳米科学权威期刊《Nano Letters》上发表了题为“Field-Effect Plasmonic Transistors Based on Metallic−Semiconducting Carbon Nanotube Junctions”的最新研究成果，首次构建了碳纳米管等离激元场效应晶体管器件。

场效应晶体管是现代集成电路中的基本组成单元。随着经济社会的快速发展，人们对晶体管的运算频率和集成度提出了更高的要求，而传统以电荷流为载体的场效应晶体管器件逐渐无法满足人们对高信息处理速度的需要。光子器件因其超高的带宽和工作频率，在信息处理速度上具有无可比拟的优势。然而，受光学衍射极限的限制，传统光子器件的集成度远低于电子器件。等离激元是光子和电子相互作用形成的一种准粒子。理论上，等离激元器件可以同时具备电子器件的小型化和光子器件的高信息处理速度双重优势。特别是在低维材料中，等离激元同时具有宽频响应、高体积压缩比、低损耗等多重特性，是制造高速小型化纳米光子器件的理想材料。

鉴于此，上海交通大学史志文教授课题组创造性地开发出一种全新的、基于碳纳米管异质结的等离激元场效应晶体管（Field-effect plasmonic transistor）器件，该器件通道中传输的是具有超高工作频率的等离激元，同时尺寸仅为纳米量级，有望成为未来小型化纳米光子芯片的基本构成单元。

研究人员首先制备出金属/半导体性碳纳米管分子内异质结，并将该结构加工成等离激元场效应晶体管器件。当外加栅极电压为零时，由于半导体性碳管一侧缺乏足够的载流子，无法支持等离激元的传播，金属侧碳管中的等离激元在传播到异质结处被反射回去，等离激元晶体管处于“关态”；通过调节外加栅压，半导体侧碳管也能转变为支持等离激元模式，从而使等离激元能够在整个碳纳米管通路上传输，等离激元晶体管处于 “开态”。

图一：基于碳纳米管异质结的等离激元场效应晶体管示意图（a，b）和近场光学图像（c，d）。其中（a，c）为等离激元晶体管器件的关态，（b，d）为晶体管器件的开态

进一步，研究人员结合麦克斯韦方程和耦合模型，发展出一套解析计算方法，对一维等离激元在界面处的反射行为进行了精确求解，并同时运用有限时域差分法对其进行仿真模拟。二者的结果与实验结果高度一致，均表明纳米尺度的一维等离激元在异质结处的反射行为依然符合经典的菲涅尔公式。此外，等离激元的透射/反射率可以通过外加栅压改变异质结两侧的波长匹配度来调控。这一成果为未来构建小型纳米光子器件与光子芯片提供了新的设计思路和重要参考。

图二：等离激元在碳纳米管异质结处的反射/透射规律。（a）有限时域差分法模拟得到的等离激元反射/透射;（b）实验、理论和仿真结果均表明一维等离激在碳管异质结处的反射行为符合经典的菲涅尔公式

上海交通大学物理与天文学院博士生谢宇烽为论文的第一作者，上海交通大学史志文教授和韩国国立公州大学的Ji-Hun Kang教授为共同通讯作者。论文作者还包括上海交通大学徐琨淇博士、吴正瀚、胡成博士、马赛群、周先亮、张智淳、沈沛约、陈一、张诚嘉、王立果、梁齐教授、日本国立材料研究所Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi教授等。本工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助，对此深表感谢。论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c00221 作者： 叶丹 供稿单位： 物理与天文学院

3.中国科大提出单原子催化剂设计全新理论模型；

单原子催化剂（SACs）凭借其最大化的金属原子利用率、量子化的电子结构及独特的物理化学性质，在多相催化、能源转化、环境治理及生物医学等领域展现出广阔应用前景。自中国科学家率先提出单原子催化概念以来，该领域已成为国际催化研究的前沿。从本质上说，单原子催化剂的活性和稳定性分别是由金属-底物分子和金属-载体相互作用决定的。然而，现有研究很少在电子轨道层面上对该两组相互作用进行解析和设计催化剂，而是习惯性地把催化剂的活性/稳定性与实验上测得的金属原子价态进行关联，从而经常导致互为矛盾的价态-活性关系的出现。目前，人们仍然缺乏一个能够描述SACs活性和稳定性的统一理论模型。

针对这一科学难题，中国科学技术大学路军岭教授团队联合武晓君教授及中国科学院大连化学物理研究所杨冰副研究员，创新性地将前线分子轨道（FMO）理论引入单原子催化剂设计中，将整个载体视为金属原子的“配体”，通过调控载体种类与尺寸，优化金属-载体轨道耦合，成功研发出兼具高活性和高稳定性的单原子加氢催化剂。此外，该项研究也首次在电子轨道层面揭示了金属-载体及金属-分子间的前线轨道耦合机制，实现了FMO理论在多相催化中的实验佐证与突破性应用。相关成果于4月2日，以“Metal–support frontier orbital interactions in single-atom catalysis”为题在线发表在《自然》期刊上。

该工作中，路军岭教授研究团队在14种半导体载体表面构建了34种钯（Pd）单原子催化剂，通过调控载体种类与尺寸，实现了对载体最低未占分子轨道（LUMO）和最高占据分子轨道（HOMO）能级位置的精准调控。具体而言，团队首先利用原子层沉积（ALD）技术在SiO₂基底上制备了不同尺寸的MOₓ（M=Zn、Co、Ni、Ga、Ti）氧化物颗粒。紫外可见吸收谱和Mott-Schottky 测试确定了上述氧化物的LUMO与HOMO能级位置随颗粒尺寸的演化。随后，团队进一步通过Pd ALD技术将Pd单原子选择性沉积于MOₓ颗粒表面，获得系列Pd₁/MOₓ SACs。杨冰副研究员则利用球差校正扫描电镜确认了Pd单原子在MOₓ氧化物颗粒表面上的成核。原位漫反射红外CO吸附与原位X射线光电子能谱分析进一步表明，随着氧化物尺寸减小，CO吸附峰发生蓝移，Pd单原子价态逐渐升高，证实了Pd与MOₓ间电子相互作用的增强（图1）。

图1.PdSACs设计与结构表征。

在乙炔选择性加氢反应中，研究发现当ZnO、CoOₓ等载体尺寸降至纳米级时，Pd SACs在保持高选择性的同时，其活性较传统块体氧化物负载的Pd SACs提升20倍以上，打破了活性与选择性间的“跷跷板”效应。其中，1.9 nm ZnO负载的Pd SACs在80°C下表现出25.6 min⁻¹的优异活性，远超文献报道的其他Pd SACs，且为Pd₁Ag/SiO₂单原子合金催化剂的活性的46倍。值得注意的是，该催化剂在100 h稳定性测试中未出现积碳或金属团聚现象，展现出了卓越的稳定性（图2），相反，传统的体相ZnO负载的PdSAC，则出现了催化选择性降低和金属严重聚集现象。进一步研究发现，同类型载体的Pd SACs活性与Pd价态呈线性相关，但不同种类载体的PdSACs的活性与价态并无直接关联。相反，研究表明，所测试的全部PdSACs的催化活性与实验上测得的载体LUMO能级位置呈线性关系。

图2.催化加氢性能图。

武晓君教授团队通过理论计算揭示了其内在机制：随着ZnO尺寸减小，其LUMO能级升高，禁带宽度变大，与实验结果一致。一方面，升高的ZnO LUMO缩小了与Pd HOMO的能隙，继而增强Pd-载体轨道杂化，提升了其稳定性；另一方面，Pd原子在ZnO表面成核后，负载Pd原子的LUMO能级随ZnO尺寸减小而诱发的增强的Pd-载体轨道杂化而逐步降低。这使得其与乙炔和氢分子HOMO能级更加匹配，从而显著增强其吸附，并提高活性（图3）。该理论结果与实验结果高度吻合，同时也与FMO理论图像相一致，展现了FMO理论在单原子催化中的可行性。与此同时，该研究也指出，半导体型载体的 LUMO 位置可作为一个统一描述符，用来预测高活性、高稳定性SACs。

图3.Pd1/ZnO催化加氢反应中的FMO理论催化机制。

综上所述，该项研究提出了基于FMO理论的催化剂设计新范式，在电子轨道层面揭示了金属-载体及金属-分子间的前线轨道耦合机制，明确了“理论可预测、实验可度量”的关键描述符——半导体型载体的 LUMO 位置，为催化科学从经验驱动向理论驱动转型提供了重要支撑。这一突破有望为人工智能高通量筛选催化剂奠定理论基础，从而大幅度加快高活性、高稳定性催化剂的开发，并缩短其工业化应用进程。

中国科大博士研究生石贤贤、文智林及中国科学院大连化学物理研究所顾青青助理研究员为论文共同第一作者，路军岭教授、武晓君教授和杨冰副研究员为共同通讯作者。该项研究工作获得了国家重点研发项目催化专项、国家自然科学杰出基金等项目的资助。

4.中国科大宋克柱团队提出新型高速串行通信误码率理论模型；

近期，中国科学技术大学宋克柱教授团队在高速串行通信误码率理论建模的研究中取得重要进展，提出了一种新型的误码率建模方法。该成果近日以“Statistical Post-FEC BER Estimation of High-Speed Serial Links Subject to DFE Error Propagation”为题发表于电子工程领域知名期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers。博士研究生陈卓为第一作者；宋克柱教授为通讯作者。

高速串行通信技术是有线网络通信的基石，在数据中心、GPU集群计算等场景中具有重要应用。随着通信数据率提升到数百Gbps的量级，判决反馈均衡器（decision-feedback equalizer, DFE）和前向纠错（forward error correction, FEC）已成为高速串行通信系统的标配。然而，DFE和FEC除了提高信号质量、降低误码率外，也使得系统的结构更加复杂、误码率更难以通过理论方法准确预测。在系统设计过程中，工程师通常需要借助理论模型推导FEC纠前-纠后误码率关系，以确保系统满足主流通信协议对FEC纠后误码率的要求。然而，现有理论模型研究存在计算效率低、对复杂系统适用性不足等问题，限制了其对设计过程的指导作用。

为了解决这一问题，该团队提出了一种新型误码率理论模型——Multi-Burst模型。传统方法通常采用马尔可夫模型对DFE引起的误码传递（error propagation）现象进行建模，并基于网格图（trellis）的动态规划算法推导单个FEC帧内的错误分布，从而计算FEC纠后误码率。与此不同，Multi-Burst模型的创新性在于：将单个FEC帧内的多段突发误码（burst error）视为近似相互独立的事件，而非马尔可夫模型中彼此关联的状态。具体而言，该模型首先通过突发误码表（burst table）描述单段突发误码的统计规律，再结合多段突发误码表的统计学关联，综合评估其对系统误码率的整体影响。

该团队提出的新建模方法带来了显著的效率提升。在针对KP-FEC码型的建模测试中，对于DFE的抽头数为1、2、3、4的情况，Multi-Burst模型分别只用了3.270%、1.648%、1.022%、0.780%的计算时间，就和先前模型取得一致的计算结果。对于抽头数越高，即复杂程度越高的系统，该建模方法的计算效率优势也越明显。该建模方法为高速串行通信系统的误码率建模提供了新的思路，为高速串行通信系统的设计和验证提供了有力的支持。

图 1 Multi-Burst模型（M.）和先前模型（T.）针对KP-FEC码型和1/2/3/4抽头DFE的FEC纠前-纠后误码率计算结果对比

图 2 Multi-Burst模型的实验验证

该项研究工作得到了国家重点研发计划项目的支持。