客户成果丨湘潭大学《SCIENCE CHINA Materials》基于氧化铪的铁电可重构光电逻辑门阵列及其在光通信加密中的应用

湘潭大学机械工程与力学学院燕少安教授课题组在铪锆氧铁电薄膜可重构逻辑门阵列研究中取得最新进展，该研究成果以“Hafnium oxide-based ferroelectric reconfigurable optoelectronic logic gate arrays and their applications in optical communication encryption”为题发表在《SCIENCE CHINA Materials》期刊上。

传统光纤通信加密方法缺乏足够的动态适应性和硬件灵活性，而可重构逻辑门能够克服这一局限，从而显著提升加密系统的灵活性。本文报道了一种基于铪锆氧化物(HZO)铁电薄膜的可重构光电逻辑门(OELG)阵列及其光通信加密应用。通过超低温原子层沉积技术制备的HZO薄膜展现出优异的热释电系数(1835.91 μC·m-2·K-1)和稳定的多级极化特性，从而实现了高效的光-电流转换。利用偏压和极化调控热释电响应，所制备的OELG器件实现了动态光信号调制与逻辑运算处理，可支持五种基本逻辑运算(与、或、与非、或非、非)且无需进行硬件改造。实验表明，OELG器件阵列在109次循环中性能稳定，满足实际应用需求。此外，本文验证了一种集成卷积神经网络(CNN)的图像加解密框架，其对解密数据的识别准确率达95.01%，而未授权的解密尝试则会导致显著的特征丢失。本文将HZO薄膜的热释电特性与可重构逻辑门技术相结合，构建了一种创新的图像数据加解密框架，为光通信网络物理层安全性的提升提供了新途径。

本研究利用超低温原子层沉积技术制备的铁电薄膜具有优异的铁电极化特性，能够通过控制电路对其内部极化状态和热释电响应电流进行精准调节。实验表明，单个器件不仅能够高效地将光信号输入转换为相应的电信号输出，还能够在同一硬件结构下实现五种代表性的布尔逻辑运算。在此基础上，本研究进一步开展了逻辑单元的模块化集成与阵列化研究。最后，本研究将开发的可重构光电逻辑门阵列应用于实际的光通讯图像传输加密任务中。

图1：OELG的工作原理以及光学通信加密/解密过程。（a）器件结构。（b）热释电电流的可调性。（c）可重构光电逻辑门的工作原理。（d）图像采集和加密传输过程的示意图。

在一系列的表征测试下，HZO铁电薄膜展现出矩形度高、对称性好的电滞回线及显著的多级极化特性，可通过电压幅值实现剩余极化强度的连续调控。

图2：HZO薄膜及OELG器件的相组成、结构及性能表征。（a）薄膜的GIXRD图谱。（b、c）薄膜的XPS光谱。（d）薄膜的横截面TEM图像。（e）P-V压力-电压磁滞回线。（f）I-V曲线。（g-）压电响应力显微镜（PFM）相位图像。

热释电测试显示，电流强度随光功率密度线性增加，具有明显的极性反转特征；通过调节剩余极化强度，热释电系数最高达1835.91 μC·m-2·K-1，并在可见光至近红外宽波段（638–1064 nm）均表现出稳定响应。

图3：外部偏置电压和极化状态对OELG热释电效应的影响。（a）器件在正极化和负极化状态下的热电电流响应曲线。（b）装置中火电效应的示意图。（c）不同残留极化强度下的热电响应电流。（d，e）外部偏置电压对正负极化状态下热电电流的影响。

通过精确调控器件的极化方向（正向/负向）及外部直流偏置电压的大小，成功利用热释电电流相对于基线阈值的变化，实现了AND、OR、NAND、NOR等五种基础布尔逻辑功能的灵活切换。

图4：基于OELG的可重构逻辑作的工作原理。（a–d）AND、OR、NAND、NOR门的工作原理。

最后，通过光刻工艺构建了1×8集成化光电逻辑解密芯片，并开展了基于YUV图像编码的加解密实验。通过引入卷积神经网络作为客观评价指标，对比分析了在正确密钥与错误密钥配置下的图像识别准确率。

图5：OELG阵列用于光学通信解密和基于卷积神经网络的识别过程的工作原理。（a）OELG解密阵列芯片的照片及工作电路示意图。（b）对解密芯片输出逻辑的安全验证。（c）CNN模型架构。（d）CNN模型在训练中的准确率曲线。（e，f）比较解密图像与Y码损坏图像之间的分类预测概率。

该工作中通过使用托托科技（TuoTuoTechnology）的UV Litho-ACA型紫外无掩模光刻机成功构建了三层隔离图形化工艺的可重构逻辑门解密阵列。为了使器件之间的热释电电流不产生串扰，团队开发了基于剥离技术的HZO铁电薄膜图形化工艺，每个器件的HZO层都被图形化而相互隔离，最终阵列性能达到了预期目标。

作者信息介绍：湘潭大学机械工程与力学学院研究生占扬为文章的第一作者，燕少安教授、朱颖方老师和郑学军教授为论文的共同通讯作者。该工作还受到了材料科学与工程学院唐明华教授和湖南大学半导体学院（集成电路学院）陈卓俊副教授的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1007/s40843-025-3637-6