鐵電隧道結具有簡(jiǎn)潔的金屬-超薄鐵電-金屬疊層器件結構，它利用鐵電極化翻轉調控量子隧穿效應來(lái)獲得不同電阻態(tài)，從而實(shí)現數據存儲功能。由于其中鐵電極化亞納秒尺度的超快翻轉以及緊湊的交叉陣列結構，鐵電隧道結具有高速讀寫(xiě)、低功耗和高存儲容量等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在信息存儲領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。隧穿電致電阻 (或開(kāi)關(guān)比) 是衡量隧道結性能的核心指標。2005年理論模型指出，隧穿電致電阻與界面電荷屏蔽效應、鐵電極化強度等密切相關(guān)。目前，一般通過(guò)多樣化的電極工程（如利用插層的相變特性調控隧穿勢壘，或利用半導體電極材料引入額外肖特基勢壘，或利用新興二維金屬電極材料引入載流子濃度調控 (圖1)）來(lái)調制電荷屏蔽效應，實(shí)現隧穿電致電阻的提升。鐵電極化強度對電致電阻的影響同樣關(guān)鍵。不過(guò)，由于制備工藝和定量研究手段的限制，鐵電層的電極化強度如何定量影響隧穿電致電阻迄今尚無(wú)實(shí)驗驗證。
圍繞這一問(wèn)題，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國家研究中心功能材料與器件研究部胡衛進(jìn)研究員聯(lián)合楊騰研究員，與材料結構與缺陷研究部唐云龍研究員等合作，提出利用緩沖層定量調控外延應變，延遲鐵電晶格弛豫從而增強極化強度的策略，成功揭示極化強度同鐵電隧道結開(kāi)關(guān)比之間的內在關(guān)聯(lián)。3月4日，該成果以“Epitaxial Strain Enhanced Ferroelectric Polarization Towards a Giant Tunneling Electroresistance”為題, 發(fā)表于《美國化學(xué)學(xué)會(huì ) 納米》(ACS Nano) 期刊上，為設計具有大開(kāi)關(guān)比的高性能鐵電隧道結存儲器提供了全新的思路。
研究人員以Sr3Al2O6/La0.67Sr0.33MnO3/BaTiO3為模型體系，利用激光分子束外延技術(shù)實(shí)現了多層膜的原子級逐層生長(cháng)。結合高分辨X射線(xiàn)衍射技術(shù)（圖2、圖3）、宏觀(guān)鐵電極化性能測試 (圖4)、像差校正透射電子顯微鏡（圖5）等研究手段，發(fā)現通過(guò)變化Sr3Al2O6 緩沖層厚度可以連續調控BaTiO3單晶薄膜的應變，獲得隨面內壓應變增大而線(xiàn)性增加的鐵電極化強度。該實(shí)驗結果和第一性原理計算結果相一致（圖8）。其應變敏感系數在典型鈣鈦礦鐵電材料中最大，高達28 μC/cm2/%。基于此，研究人員得以在-2.1%的壓應變下，在BaTiO3/La0.67Sr0.33MnO3界面獲得破紀錄的高達80 μC/cm2鐵電極化強度，打破已報道的最高值。得益于這一巨大鐵電極化強度，研究人員在La0.67Sr0.33MnO3/BaTiO3 (3.2 nm)/Pt鐵電隧道結中實(shí)現了105的巨大隧穿電致電阻（圖6、圖7），比沒(méi)有緩沖層的鐵電隧道結高100倍。
金屬所功能材料與器件研究部研究生李小奇為論文第一作者，楊騰研究員和胡衛進(jìn)研究員為共同通訊作者。該研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目、面上項目、遼寧省中央引導地方科技發(fā)展專(zhuān)項的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c10933
論文DOI號：10.1021/acsnano.3c10933
圖1. 提高隧穿電致電阻效應（TER）的不同機制。（a）金屬/鐵電/金屬型隧道結中鐵電極化強度依賴(lài)的TER，更大的鐵電極化誘導更陡峭的勢壘，如紅色虛線(xiàn)所示，增強TER；（b）鐵電極化調控的界面金屬-絕緣體轉變或鐵電-介電復合隧穿勢壘；（c）鐵電極化通過(guò)半導體電極的耗盡層調控有效隧穿勢壘寬度；（d）鐵電極化調控二維石墨烯電極的載流子濃度。
圖2. 連續調控外延薄膜的面外應變。（a），（d）不同Sr3Al2O6和BaTiO3厚度的異質(zhì)結結構示意圖；（b），（e）對應薄膜的高分辨X射線(xiàn)衍射圖；（c）放大的BaTiO3單晶薄膜的（002）衍射峰。
圖3. 單晶外延多層薄膜應變的定量分析。（a）X射線(xiàn)倒易空間衍射圖；（b-d）多層膜的晶格常數和應變的定量分析；（e）Sr3Al2O6緩沖層延緩BaTiO3晶格弛豫的示意圖。
圖4. BaTiO3薄膜的宏觀(guān)鐵電極化表征。（a）緩沖層厚度調控BaTiO3薄膜的電滯回線(xiàn)；（b）極化強度與Sr3Al2O6緩沖層厚度的關(guān)系，（c）不同厚度BaTiO3薄膜的電滯回線(xiàn)；（d）在La0.67Sr0.33MnO3電極上生長(cháng)的各類(lèi)BaTiO3薄膜的鐵電極化大小。
圖5. BaTiO3單晶外延薄膜的微觀(guān)結構表征。（a）沿[100]晶帶軸的高分辨掃描透射電子顯微鏡圖像；（b）沿厚度方向的面內外晶格常數變化；（c）四方度沿厚度方向的變化；（d-e）靠近和遠離界面的兩個(gè)典型區域圖像以及Ti離子原子位移示意；（f-g）相應區域的Ti離子位移和鐵電極化強度。
圖6. 超薄膜的原子級逐層生長(cháng)與掃描探針顯微鏡表征。（a）反射高能電子衍射儀表征多層膜的層狀生長(cháng)；（b）BaTiO3超薄膜原子級別平整的表面形貌；（c-d）BaTiO3超薄膜的壓電振幅與相位；（e）典型的局部壓電振幅與壓電相位。
圖7. 緩沖層應變增強的隧穿電致電阻效應。（a）鐵電隧道結示意圖；（b-c）有無(wú)Sr3Al2O6緩沖層的鐵電隧道結器件的I-V曲線(xiàn)；（d）兩種鐵電隧道結的開(kāi)關(guān)比；（e）鐵電隧道結的典型電阻-電壓回線(xiàn)；（f）數據保持性能；（g-h）隧道結的能帶結構示意圖；（i）器件開(kāi)關(guān)比與極化強度的指數依賴(lài)關(guān)系。
圖8. BaTiO3自發(fā)極化與面內外延應變的線(xiàn)性關(guān)系。
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