固体所在铁电隧道结性能调控研究方面取得新进展

近期，中国科学院合肥物质院固体所计算物理与量子材料研究部在铁电隧道结性能调控研究方面取得新进展，提出利用双势垒结构可以显著增强铁电隧道结的隧穿电致电阻效应。以Pt/BaTiO3/LaAlO3/Pt/BaTiO3/LaAlO3/Pt双势垒铁电隧道结为例，通过密度泛函计算研究发现，该体系在铁电左极化态和右极化态之间的反转下实现了2.21×108%的巨大隧穿电致电阻（TER）比率，较Pt/BaTiO3/LaAlO3/Pt单势垒铁电隧道结的TER比率提高至少3个数量级。相关结果以“Greatly enhanced tunneling electroresistance in ferroelectric tunnel junctions with a double barrier design”为题发表在npj Computational Materials (npj Comput. Mater. 9,144 (2023))上。      铁电隧道结作为非易失性存储器的重要候选材料，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，上下层为金属电极，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。这两种极化态下隧道结的导电性差异可用TER比率来表示，TER比率越大越有利于区分这两个不同的状态。因此，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。

鉴于此，科研人员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。研究人员设计了Pt/BaTiO3/LaAlO3/Pt/BaTiO3/LaAlO3/Pt双势垒铁电隧道结，并利用密度泛函理论计算对其输运性质展开了研究（图1），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2.21×108%的巨大TER比率，较Pt/BaTiO3/LaAlO3/Pt单势垒铁电隧道结的TER比率提高至少3个数量级（图2）。这是由于在微观尺度下，电子通过串联的两个势垒的透射函数大小与通过两个单一势垒的透射函数的乘积密切相关，且一个大于1的数平方以后和原数相比会呈指数增长变化。此外，研究人员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3）。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。该方法并不限于特定体系，可作为铁电隧道结设计研究中的重要参考。

上述研究在南京林业大学和山西大学等单位的合作下完成，固体所博士生肖威为论文第一作者。研究得到了国家自然科学基金的资助，以及中科院超算中心合肥分中心的计算支持。

全文链接：https://www.nature.com/articles/s41524-023-01101-9。

图1. (a) 双势垒铁电隧道结两种极化态的原子结构，结构下方的箭头表示BaTiO3局部极化的方向和大小；(b) BaTiO3中每一层TiO2沿z方向的Ti-O位移；(c) 铁电左、右极化态沿z方向的平均静电势能分布，(b)和(c)中的粉色、青色和黄色背景分别代表Pt、BaTiO3和LaAlO3；(d) 费米能级处双势垒铁电隧道结左右极化态下二维布里渊区中的k∥分辨透射系数。

图2. (a)和(c) BaTiO3厚度分别为5.5单胞、11.5单胞时单势垒铁电隧道结的原子结构和BaTiO3局部极化；(b)和(d)两种体系在费米能级处左右极化态下的二维布里渊区k∥分辨透射系数。

图3. (a) 多电阻态双势垒铁电隧道结结构示意图，其中金属(M)、铁电体(F)和插层(I)分别用黄色、紫色和蓝色表示，V1和V2表示用于控制单个铁电势垒极化方向的偏压，四个黄色虚线框中的箭头表示多电阻态双势垒铁电隧道结的四种极化状态分别用P←、P→、P→←、P←→表示；(b) BaTiO3厚度分别为5.5单胞、11.5单胞的单势垒铁电隧道结和多电阻态双势垒铁电隧道结在不同极化状态下的电阻面积乘积。