鐵電隧道結(jié)具有簡潔的金屬-超薄鐵電-金屬疊層器件結(jié)構(gòu)。鐵電隧道結(jié)利用鐵電極化翻轉(zhuǎn)調(diào)控量子隧穿效應(yīng)以獲得不同電阻態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲功能。由于鐵電極化亞納秒尺度的超快翻轉(zhuǎn)以及緊湊的交叉陣列結(jié)構(gòu)，鐵電隧道結(jié)具有高速讀寫、低功耗和高存儲容量等優(yōu)點(diǎn)，近年來在信息存儲領(lǐng)域備受關(guān)注。隧穿電致電阻 （或開關(guān)比）是衡量隧道結(jié)性能的核心指標(biāo)。2005年，理論模型提出，隧穿電致電阻與界面電荷屏蔽效應(yīng)、鐵電極化強(qiáng)度等相關(guān)。目前，一般通過多樣化的電極工程，如利用插層的相變特性調(diào)控隧穿勢壘，或利用半導(dǎo)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(diào)控，來調(diào)制電荷屏蔽效應(yīng)，提升隧穿電致電阻。鐵電極化強(qiáng)度對電致電阻的影響同樣關(guān)鍵。然而，由于制備工藝和定量研究手段的限制，鐵電層的電極化強(qiáng)度如何定量影響隧穿電致電阻迄今尚無實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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研究員胡衛(wèi)進(jìn)和楊騰，聯(lián)合材料結(jié)構(gòu)與缺陷研究部研究員唐云龍等，提出了利用緩沖層定量調(diào)控外延應(yīng)變，延遲鐵電晶格弛豫從而增強(qiáng)極化強(qiáng)度的策略，揭示了極化強(qiáng)度同鐵電隧道結(jié)開關(guān)比之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。3月4日，相關(guān)研究成果以Epitaxial Strain Enhanced Ferroelectric Polarization Towards a Giant Tunneling Electroresistance為題，發(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)會-納米》（ACS Nano）上。這一成果為設(shè)計(jì)具有大開關(guān)比的高性能鐵電隧道結(jié)存儲器提供了全新思路。

該研究以Sr₃Al₂O₆/La_0.67Sr_0.33MnO₃/BaTiO₃為模型體系，利用激光分子束外延技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多層膜的原子級逐層生長。研究結(jié)合高分辨X射線衍射技術(shù)、宏觀鐵電極化性能測試、像差校正透射電子顯微鏡等研究手段發(fā)現(xiàn)，通過變化Sr₃Al₂O₆緩沖層厚度可以連續(xù)調(diào)控BaTiO₃單晶薄膜的應(yīng)變，獲得隨面內(nèi)壓應(yīng)變增大而線性增加的鐵電極化強(qiáng)度。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與第一性原理計(jì)算結(jié)果一致。研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變敏感系數(shù)在典型鈣鈦礦鐵電材料中最大，達(dá)28 μC/cm²/%?；诖耍蒲腥藛T得以在-2.1%的壓應(yīng)變下，在BaTiO₃/La_0.67Sr_0.33MnO₃界面獲得高達(dá)80 μC/cm²鐵電極化強(qiáng)度，打破了目前已報(bào)道的最高值。得益于這一鐵電極化強(qiáng)度，研究在La_0.67Sr_0.33MnO₃/BaTiO₃?(3.2 nm)/Pt鐵電隧道結(jié)中實(shí)現(xiàn)了10⁵的巨大隧穿電致電阻，比沒有緩沖層的鐵電隧道結(jié)高100倍。

研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、遼寧省中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)的支持。

論文鏈接