鐵電憶阻器以電阻的形式存儲信息，其電阻與鐵電疇結(jié)構(gòu)密切關(guān)聯(lián)，并可通過電壓在亞納秒時間尺度上進(jìn)行調(diào)控，寫入功耗低，在下一代非易失性存儲技術(shù)中具有獨(dú)特優(yōu)勢。器件性能（包括開關(guān)比、讀寫速度、數(shù)據(jù)存儲容量等）與鐵電疇結(jié)構(gòu)及其翻轉(zhuǎn)動力學(xué)密切相關(guān)。前期研究主要關(guān)注鐵電極化翻轉(zhuǎn)過程對阻變行為的影響，鮮有研究鐵電自極化（鐵電薄膜自發(fā)形成的特定鐵電疇結(jié)構(gòu)）對鐵電阻變性能的影響。如何精準(zhǔn)調(diào)控鐵電自極化并揭示其與阻變器件性能的關(guān)聯(lián)，對提升鐵電阻變器件的性能具有重要意義。
圍繞這一目標(biāo)，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心功能材料與器件研究部胡衛(wèi)進(jìn)研究員、黃彪宏博士生、張志東研究員等與國內(nèi)外多家單位合作，提出利用金屬/鐵電界面肖特基勢壘調(diào)控鐵電自極化的新機(jī)制，并實現(xiàn)了SrRuO3/(Sm,Bi)FeO3/Pt鐵電二極管開關(guān)比等阻變性能的顯著提升。研究發(fā)現(xiàn)，稀土Sm摻雜可有效調(diào)控鐵酸鉍薄膜氧空位濃度和分布，從而改變SrRuO3/BIFeO3界面肖特基勢壘和退極化場強(qiáng)度。兩者相互競爭導(dǎo)致鐵電自極化從鐵電單疇向多疇演變，疇尺寸顯著變小至幾十納米。伴隨鐵電疇結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，對應(yīng)鐵電二極管的阻變行為從單向阻變演變成雙向阻變，可通過自極化有效調(diào)控其阻變對稱性。具有鐵電自極化單疇的鐵酸鉍鐵電二極管擁有高達(dá)106的巨大開關(guān)比，比傳統(tǒng)器件高出2個量級。該巨大開關(guān)比可以歸結(jié)為鐵電自極化、鐵電極化翻轉(zhuǎn)及其誘導(dǎo)的氧空位的遷移等對鐵電二極管器件能帶結(jié)構(gòu)的綜合調(diào)控。此外，該類器件電阻態(tài)的轉(zhuǎn)換符合鐵電極化翻轉(zhuǎn)的Merz定律。隨Sm摻雜濃度提高，其阻變轉(zhuǎn)換的激活能從0.28 GV/m降至0.12 GV/m；阻變翻轉(zhuǎn)速度從30 ns降低至設(shè)備極限6.25 ns，并展現(xiàn)出亞納秒的寫入潛力。該類器件也具有極低寫入功耗，每存儲單元寫入功耗僅為5.3 飛焦，可以和先進(jìn)的阻變存儲、磁隨機(jī)存儲、相變存儲器件等相媲美。相關(guān)結(jié)果以“Schottky Barrier Control of Self-Polarization for a Colossal Ferroelectric Resistive Switching”為題, 于6月27日發(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)會納米》(ACS Nano) 期刊上。
這是繼該團(tuán)隊在鐵電二極管中發(fā)現(xiàn)多級電流跳躍現(xiàn)象 (Advanced Electronic Materials, 8, 2101059, 2022) 之后，利用鐵電疇調(diào)控鐵電存儲器件性能的又一突破。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目、面上項目、科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃、沈陽材料科學(xué)國家研究中心以及上海同步輻射光源的支持。
圖1. 鐵電疇的調(diào)控方式。（a）電極電荷屏蔽效應(yīng)；（b）截止面的電荷失配效應(yīng)；（c）缺陷偶極子與鐵電極化的靜電耦合效應(yīng)；（d）撓曲電效應(yīng)；（e）本工作提出的金屬/鐵電異質(zhì)界面肖特基勢壘效應(yīng)。
圖2. SrRuO3/(Bi,Sm)FeO3薄膜的自極化鐵電疇表征。（a），（d），（g）壓電力顯微鏡的相位圖；（b），（e），（h）單點(diǎn)壓電回線及矯頑電壓統(tǒng)計圖；（c），（f），（i）SrRuO3/(Bi,Sm)FeO3界面的高角度環(huán)形暗場像。
圖3. SrRuO3/(Bi,Sm)FeO3界面肖特基勢壘。（a）Sm摻雜調(diào)控界面勢壘（左軸）及BiFeO3中氧空位形成能（右軸）；（b）(Bi,Sm)FeO3薄膜的吸光系數(shù)和光學(xué)帶隙；（c）(Bi,Sm)FeO3薄膜的光電流；（d）Sm摻雜調(diào)控BiFeO3費(fèi)米能級示意圖。
圖4. 不同薄膜厚度下氧空位的濃度與分布。（a）BiFeO3，（b）Sm0.05Bi0.95FeO3和（c）Sm0.1Bi0.9FeO3的X射線光電子能譜；（d）不同Sm摻雜BiFeO3薄膜的Fe2+/Fe3+濃度比值（左軸）及氧空位濃度BiFeO3- 值（右軸）；（e）BiFeO3的X射線吸收譜。
圖5. (Bi,Sm)FeO3薄膜鐵電自極化的調(diào)控機(jī)制。界面肖特基勢壘和退極化場的相互競爭導(dǎo)致鐵電多疇的形成。兩者均與氧空位濃度及其分布密切相關(guān)。
圖6. SrRuO3/(Bi,Sm)FeO3/Pt憶阻器的阻變翻轉(zhuǎn)行為。（a-c）I-V曲線；（d-f）BiFeO3二極管在初始態(tài)、極化向下態(tài)，極化向上態(tài)的能帶結(jié)構(gòu)示意圖；（g）BiFeO3二極管在78 K下的I-V回線（左軸）及相應(yīng)的P-V回線（右軸）；（h）電極化對BiFeO3二極管I-V阻變行為的影響；（i）不同電壓掃描過程對I-V阻變行為的影響；（j）SrRuO3/(Bi,Sm)FeO3/Pt器件的開關(guān)比；（k）各類鐵電二極管的開關(guān)比。
圖7. SrRuO3/(Bi,Sm)FeO3/Pt憶阻器的器件性能。（a-c）阻變記憶回線；（d-f）電阻保持性能；（g-i）電阻疲勞性能；（j-l）阻變翻轉(zhuǎn)動力學(xué)。
