Npj Comput. Mater.: 双势垒结构—增强铁电隧道结的隧穿电致电阻

铁电隧道结作为非易失性存储器的重要候选者，近年来引起了人们广泛的研究兴趣。铁电隧道结通常为三层结构，左右两侧为金属电极，中间势垒层为铁电材料。中间铁电层在外加电场下发生极化方向反转时通常会导致铁电隧道结的隧穿电阻发生很大变化，表现出高电导和低电导两个不同的导电状态。这两个态可以用作二进制存储单元的0和1。这两种极化态下隧道结的导电性差异用隧穿电致电阻（TER）比率来表征，这个参数的值越大越有利于区分这两个不同的状态。如何发展新的方法以获得更高的TER比率，一直是铁电隧道结研究中的核心科学问题之一。

针对该问题，南京林业大学郑小宏教授与山西大学张磊教授研究团队，基于已有的量子输运理论提出，可以在铁电隧道结中引入双势垒结构来极大增强隧穿电致电阻效应，并且通过第一性原理计算验证了该想法。他们设计了Pt/BaTiO3/LaAlO3/Pt/BaTiO3/LaAlO3/ Pt双势垒铁电隧道结（图1a），并利用密度泛函计算对其输运性质展开了研究。结果发现，铁电左极化态和右极化态之间的反转可以在该铁电隧道结中实现2.210×108%的巨大TER比率（这表明两种极化态之间透射系数存在巨大差异，如图1b），这一数值比Pt/BaTiO3/LaAlO3/Pt单势垒铁电隧道结的TER比率至少大3个数量级。其基本思想在于，微观尺度下，电子通过串联的两个势垒的透射函数与两个单一势垒的透射函数的乘积密切相关，以及一个大于1的数平方以后和原数相比呈指数增长。这一思想在双势垒铁电隧道结中得到了很好的体现。文中还提出了通过外加电压单独控制每一个势垒的极化方向，可以在双势垒铁电隧道结中实现极化头对头和尾对尾的两个额外的铁电极化态，从而得到多个电阻态（图2）。该研究表明在铁电隧道结设计中，可以利用双势垒结构显著增强其隧穿电致电阻特性并拓展其功能实现多态存储。

转自：“知社学术圈”微信公众号

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