近期，中科院合肥研究院固體所計(jì)算物理與量子材料研究部鄭小宏研究員課題組在鈣鈦礦氧化物鐵電隧道結(jié)輸運(yùn)性質(zhì)的界面調(diào)控研究中取得新進(jìn)展，通過在對(duì)稱Pt/BaTiO3/Pt鐵電隧道結(jié)一側(cè)界面處摻雜引入負(fù)的極性界面，可以獲得高達(dá)105 %的巨隧穿電致電阻（TER）比率，相關(guān)結(jié)果以“Giant Tunneling Electroresistance Induced by Interfacial Doping in Pt/BaTiO3/Pt Ferroelectric Tunnel Junctions”為題發(fā)表在Physical Review Applied ( Phys. Rev. Appl., 17, 044001 (2022))上。

  鐵電隧道結(jié)是在兩側(cè)金屬電極之間通過嵌入鐵電薄膜作為隧穿勢(shì)壘而形成的隧道結(jié)。由于鐵電隧穿勢(shì)壘的極化方向可以通過調(diào)節(jié)外電場(chǎng)的方向而發(fā)生反轉(zhuǎn)，并伴隨高低兩種不同的電阻態(tài)，在存儲(chǔ)器中可以分別表示“0”和“1”兩個(gè)邏輯態(tài)，因此鐵電隧道結(jié)在非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器中具有重要應(yīng)用。特別是，作為新一代存儲(chǔ)器件的重要候選者，鐵電隧道結(jié)由于其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度高、讀寫速度快、功耗低等特點(diǎn)，近年來激發(fā)了人們的廣泛研究興趣。在針對(duì)鐵電隧道結(jié)的研究中，高低兩個(gè)電阻態(tài)的差異通常由TER比率來衡量，如何得到高的TER比率是實(shí)現(xiàn)高性能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需要解決的核心問題之一。

  鄭小宏研究員課題組在鈣鈦礦氧化物鐵電隧道結(jié)Pt/BaTiO3/Pt的研究中提出，如果在隧道結(jié)的一側(cè)界面引入負(fù)的極性界面，其引起的庫倫勢(shì)隨距離的衰減將對(duì)鐵電勢(shì)壘的能帶傾斜產(chǎn)生很大的影響，進(jìn)而能夠有效調(diào)控其輸運(yùn)性質(zhì)和TER比率。研究發(fā)現(xiàn)，通過在鐵電隧道結(jié)Pt/BaTiO3/Pt右界面即BaTiO3/Pt界面處用Na或Li替換Ti原子，可以形成帶負(fù)電的NaO2或LiO2界面，最終可獲得105 %量級(jí)的高TER比率。這是由于當(dāng)鐵電勢(shì)壘左極化時(shí)，鐵電極化本身引起隧穿勢(shì)壘的能帶從左到右升高，帶負(fù)電的NaO2或LiO2界面對(duì)電子的庫倫排斥作用將進(jìn)一步推高鐵電勢(shì)壘中的電子能帶，并且在靠近右側(cè)界面處升高幅度最大，導(dǎo)致右側(cè)界面處部分原子層價(jià)帶頂上升到費(fèi)米能級(jí)以上，從而實(shí)現(xiàn)部分金屬化，因此在這一極化態(tài)下將獲得一個(gè)低電阻態(tài)。然而當(dāng)鐵電勢(shì)壘右極化時(shí)，盡管NaO2或LiO2負(fù)極性界面依然會(huì)推高電子能帶，但由于此時(shí)鐵電極化引起勢(shì)壘的能帶從左到右下降，因此兩者的共同作用相互抵消，使得右側(cè)界面區(qū)域的價(jià)帶分布比較平坦并且價(jià)帶頂始終在費(fèi)米能級(jí)以下，左極化時(shí)右側(cè)部分原子層的金屬化將在右極化狀態(tài)下消失，從而表現(xiàn)為一個(gè)高阻態(tài)。正是這種在一側(cè)負(fù)極性界面的作用下，兩種極化狀態(tài)下的部分金屬化的產(chǎn)生與消失導(dǎo)致了高TER比率，這一方案對(duì)設(shè)計(jì)高性能鐵電隧道結(jié)具有重要參考意義。

  上述工作得到了國家自然科學(xué)基金的資助，所有計(jì)算在中科院超算中心合肥分中心完成。

  全文鏈接：https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevApplied.17.044001。

圖1. BaTiO3厚度為8.5 u.c.的NaTi-FTJ的左極化態(tài)（a）和右極化態(tài)（b）的原子結(jié)構(gòu)示意圖。藍(lán)色和紅色的箭頭標(biāo)明了左右兩種極化態(tài)中BaTiO3的局部極化。

圖2. （a）BaTiO3厚度為8.5 u.c.的NaTi-FTJ的左極化態(tài)和右極化態(tài)的透射函數(shù)；（b）BaTiO3厚度為8.5 u.c.的NaTi-FTJ的左極化態(tài)和右極化態(tài)的層分辨的投影態(tài)密度。紫色、橙色和黃色分別代表Pt電極、BaTiO3中TiO2原子層和右界面處NaO2原子層的投影態(tài)密度。