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钙钛矿氧化物铁电隧道结的界面调控研究取得新进展

(文/肖威)

        近期,我研究部郑小宏研究员课题组在钙钛矿氧化物铁电隧道结输运性质的界面调控研究中取得新进展,通过在对称Pt/BaTiO3/Pt铁电隧道结一侧界面处掺杂引入负的极性界面,可以获得高达105 %的巨隧穿电致电阻(TER)比率,相关结果以“Giant Tunneling Electroresistance Induced by Interfacial Doping in Pt/BaTiO3/Pt Ferroelectric Tunnel Junctions”为题发表在Physical Review Applied ( Phys. Rev. Appl., 17, 044001 (2022))上。

        铁电隧道结是在两侧金属电极之间通过嵌入铁电薄膜作为隧穿势垒而形成的隧道结。由于铁电隧穿势垒的极化方向可以通过调节外电场的方向而发生反转,并伴随高低两种不同的电阻态,在存储器中可以分别表示“0”和“1”两个逻辑态,因此铁电隧道结在非易失性随机存储器中具有重要应用。特别是,作为新一代存储器件的重要候选者,铁电隧道结由于其数据存储密度高、读写速度快、功耗低等特点,近年来激发了人们的广泛研究兴趣。在针对铁电隧道结的研究中,高低两个电阻态的差异通常由TER比率来衡量,如何得到高的TER比率是实现高性能数据存储需要解决的核心问题之一。

        郑小宏研究员课题组在钙钛矿氧化物铁电隧道结Pt/BaTiO3/Pt的研究中提出,如果在隧道结的一侧界面引入负的极性界面,其引起的库伦势随距离的衰减将对铁电势垒的能带倾斜产生很大的影响,进而能够有效调控其输运性质和TER比率。研究发现,通过在铁电隧道结Pt/BaTiO3/Pt右界面即BaTiO3/Pt界面处用Na或Li替换Ti原子,可以形成带负电的NaO2或LiO2界面,最终可获得105 %量级的高TER比率。这是由于当铁电势垒左极化时,铁电极化本身引起隧穿势垒的能带从左到右升高,带负电的NaO2或LiO2界面对电子的库伦排斥作用将进一步推高铁电势垒中的电子能带,并且在靠近右侧界面处升高幅度最大,导致右侧界面处部分原子层价带顶上升到费米能级以上,从而实现部分金属化,因此在这一极化态下将获得一个低电阻态。然而当铁电势垒右极化时,尽管NaO2或LiO2负极性界面依然会推高电子能带,但由于此时铁电极化引起势垒的能带从左到右下降,因此两者的共同作用相互抵消,使得右侧界面区域的价带分布比较平坦并且价带顶始终在费米能级以下,左极化时右侧部分原子层的金属化将在右极化状态下消失,从而表现为一个高阻态。正是这种在一侧负极性界面的作用下,两种极化状态下的部分金属化的产生与消失导致了高TER比率,这一方案对设计高性能铁电隧道结具有重要参考意义。

        上述工作得到了国家自然科学基金的资助,所有计算在中科院超算中心合肥分中心完成。

        全文链接:https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevApplied.17.044001




图1. BaTiO3厚度为8.5 u.c.的NaTi-FTJ的左极化态(a)和右极化态(b)的原子结构示意图。蓝色和红色的箭头标明了左右两种极化态中BaTiO3的局部极化。 



图2. (a)BaTiO3厚度为8.5 u.c.的NaTi-FTJ的左极化态和右极化态的透射函数;(b)BaTiO3厚度为8.5 u.c.的NaTi-FTJ的左极化态和右极化态的层分辨的投影态密度。紫色、橙色和黄色分别代表Pt电极、BaTiO3中TiO2原子层和右界面处NaO2原子层的投影态密度。


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