固體所在鐵電隧道結性能調控研究方麵取得新進展

近期 ，中國科學院合肥物質院固體所計算物理與量子材料研究部在鐵電隧道結性能調控研究方麵取得新進展 ，提出利用雙勢壘結構可以顯著增強鐵電隧道結的隧穿電致電阻效應 。以Pt/BaTiO3/LaAlO3/Pt/BaTiO3/LaAlO3/Pt雙勢壘鐵電隧道結為例 ，通過密度泛函計算研究發現 ，該體係在鐵電左極化態和右極化態之間的反轉下實現了2.21×108%的巨大隧穿電致電阻（TER）比率 ，較Pt/BaTiO3/LaAlO3/Pt單勢壘鐵電隧道結的TER比率提高至少3個數量級 。相關結果以“Greatly enhanced tunneling electroresistance in ferroelectric tunnel junctions with a double barrier design”為題發表在npj Computational Materials (npj Comput. Mater. 9,144 (2023))上 。      鐵電隧道結作為非易失性存儲器的重要候選材料 ，近年來引起了人們廣泛的研究興趣 。鐵電隧道結通常為三層結構 ，上下層為金屬電極 ，中間勢壘層為鐵電材料 。中間鐵電層在外加電場下發生極化方向反轉時 ，通常會導致鐵電隧道結的隧穿電阻發生很大變化 ，表現出高電導和低電導兩個不同的導電狀態 。這兩種極化態下隧道結的導電性差異可用TER比率來表示 ，TER比率越大越有利於區分這兩個不同的狀態 。因此 ，如何發展新的方法以獲得更高的TER比率一直是鐵電隧道結研究中的核心科學問題之一 。

鑒於此 ，科研人員基於已有的量子輸運理論提出可以在鐵電隧道結中引入雙勢壘結構來極大增強隧穿電致電阻效應 ，並且通過第一性原理計算驗證了該想法 。研究人員設計了Pt/BaTiO3/LaAlO3/Pt/BaTiO3/LaAlO3/Pt雙勢壘鐵電隧道結 ，並利用密度泛函理論計算對其輸運性質展開了研究（圖1） ，發現鐵電左極化態和右極化態之間的反轉可以在該鐵電隧道結中實現2.21×108%的巨大TER比率 ，較Pt/BaTiO3/LaAlO3/Pt單勢壘鐵電隧道結的TER比率提高至少3個數量級（圖2） 。這是由於在微觀尺度下 ，電子通過串聯的兩個勢壘的透射函數大小與通過兩個單一勢壘的透射函數的乘積密切相關 ，且一個大於1的數平方以後和原數相比會呈指數增長變化 。此外 ，研究人員還提出了通過外加電壓單獨控製每一個勢壘的極化方向 ，可以在雙勢壘鐵電隧道結中實現極化頭對頭和尾對尾的兩個額外的鐵電極化態 ，從而得到多個電阻態（圖3） 。該研究表明在鐵電隧道結設計中 ，可以利用雙勢壘結構顯著增強其隧穿電致電阻特性 ，並拓展其功能實現多態存儲 。該方法並不限於特定體係 ，可作為鐵電隧道結設計研究中的重要參考 。

上述研究在南京林業大學和山西大學等單位的合作下完成 ，固體所博士生肖威為論文第一作者 。研究得到了國家自然科學基金的資助 ，以及中科院超算中心合肥分中心的計算支持 。

全文鏈接 ：https://www.nature.com/articles/s41524-023-01101-9 。

圖1. (a) 雙勢壘鐵電隧道結兩種極化態的原子結構 ，結構下方的箭頭表示BaTiO3局部極化的方向和大小 ；(b) BaTiO3中每一層TiO2沿z方向的Ti-O位移 ；(c) 鐵電左 、右極化態沿z方向的平均靜電勢能分布 ，(b)和(c)中的粉色 、青色和黃色背景分別代表Pt 、BaTiO3和LaAlO3 ；(d) 費米能級處雙勢壘鐵電隧道結左右極化態下二維布裏淵區中的k∥分辨透射係數 。

圖2. (a)和(c) BaTiO3厚度分別為5.5單胞 、11.5單胞時單勢壘鐵電隧道結的原子結構和BaTiO3局部極化 ；(b)和(d)兩種體係在費米能級處左右極化態下的二維布裏淵區k∥分辨透射係數 。

圖3. (a) 多電阻態雙勢壘鐵電隧道結結構示意圖 ，其中金屬(M) 、鐵電體(F)和插層(I)分別用黃色 、紫色和藍色表示 ，V1和V2表示用於控製單個鐵電勢壘極化方向的偏壓 ，四個黃色虛線框中的箭頭表示多電阻態雙勢壘鐵電隧道結的四種極化狀態分別用P← 、P→ 、P→← 、P←→表示 ；(b) BaTiO3厚度分別為5.5單胞 、11.5單胞的單勢壘鐵電隧道結和多電阻態雙勢壘鐵電隧道結在不同極化狀態下的電阻麵積乘積 。