固體所在鈣鈦礦氧化物鐵電隧道結的界麵調控研究方麵取得新進展

  近期 ，中科院合肥研究院固體所計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輸運性質的界麵調控研究中取得新進展 ，通過在對稱Pt/BaTiO3/Pt鐵電隧道結一側界麵處摻雜引入負的極性界麵 ，可以獲得高達105 %的巨隧穿電致電阻（TER）比率 ，相關結果以“Giant Tunneling Electroresistance Induced by Interfacial Doping in Pt/BaTiO3/Pt Ferroelectric Tunnel Junctions”為題發表在Physical Review Applied ( Phys. Rev. Appl., 17, 044001 (2022))上 。

  鐵電隧道結是在兩側金屬電極之間通過嵌入鐵電薄膜作為隧穿勢壘而形成的隧道結 。由於鐵電隧穿勢壘的極化方向可以通過調節外電場的方向而發生反轉 ，並伴隨高低兩種不同的電阻態 ，在存儲器中可以分別表示“0”和“1”兩個邏輯態 ，因此鐵電隧道結在非易失性隨機存儲器中具有重要應用 。特別是 ，作為新一代存儲器件的重要候選者 ，鐵電隧道結由於其數據存儲密度高 、讀寫速度快 、功耗低等特點 ，近年來激發了人們的廣泛研究興趣 。在針對鐵電隧道結的研究中 ，高低兩個電阻態的差異通常由TER比率來衡量 ，如何得到高的TER比率是實現高性能數據存儲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Pt/BaTiO3/Pt的研究中提出 ，如果在隧道結的一側界麵引入負的極性界麵 ，其引起的庫倫勢隨距離的衰減將對鐵電勢壘的能帶傾斜產生很大的影響 ，進而能夠有效調控其輸運性質和TER比率 。研究發現 ，通過在鐵電隧道結Pt/BaTiO3/Pt右界麵即BaTiO3/Pt界麵處用Na或Li替換Ti原子 ，可以形成帶負電的NaO2或LiO2界麵，最終可獲得105 %量級的高TER比率 。這是由於當鐵電勢壘左極化時 ，鐵電極化本身引起隧穿勢壘的能帶從左到右升高 ，帶負電的NaO2或LiO2界麵對電子的庫倫排斥作用將進一步推高鐵電勢壘中的電子能帶 ，並且在靠近右側界麵處升高幅度最大 ，導致右側界麵處部分原子層價帶頂上升到費米能級以上 ，從而實現部分金屬化 ，因此在這一極化態下將獲得一個低電阻態 。然而當鐵電勢壘右極化時，盡管NaO2或LiO2負極性界麵依然會推高電子能帶 ，但由於此時鐵電極化引起勢壘的能帶從左到右下降 ，因此兩者的共同作用相互抵消 ，使得右側界麵區域的價帶分布比較平坦並且價帶頂始終在費米能級以下 ，左極化時右側部分原子層的金屬化將在右極化狀態下消失 ，從而表現為一個高阻態 。正是這種在一側負極性界麵的作用下 ，兩種極化狀態下的部分金屬化的產生與消失導致了高TER比率 ，這一方案對設計高性能鐵電隧道結具有重要參考意義 。

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

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圖1. BaTiO3厚度為8.5 u.c.的NaTi-FTJ的左極化態（a）和右極化態（b）的原子結構示意圖 。藍色和紅色的箭頭標明了左右兩種極化態中BaTiO3的局部極化 。

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