合肥物质研究院在钙钛矿氧化物铁电隧道结的界面调控研究获进展

原标题:合肥材料研究所钙钛矿氧化物铁电隧道结界面调控研究取得进展。

近日，中科院合肥固体所计算物理与量子材料部郑小红研究员课题组在钙钛矿氧化物铁电隧道结输运性质的界面调控研究方面取得新进展。通过在对称Pt/BaTiO3/Pt铁电隧道结的一侧界面掺杂和引入负极性界面，可以获得高达105%的巨隧穿电阻率(TER)比。相关结果发表在《应用物理评论》上。

图一。BaTiO3厚度为8.5的钠FTJ的左偏振态(A)和右偏振态(B)的原子结构示意图和蓝色箭头表示BaTiO3在左偏振态和右偏振态的局部偏振。

铁电隧道结是在两侧金属电极之间嵌入铁电薄膜作为隧道势垒而形成的隧道结。由于铁电隧道势垒的极化方向可以通过调节外加电场的方向来反转，同时伴随着高、低两种不同的电阻状态，在存储器中可以分别代表“0”和“1”，因此铁电隧道结在非易失性随机存取存储器中有着重要的应用。铁电隧道结作为新一代存储器件的重要候选材料，由于其数据存储密度高、读写速度快、功耗低等优点，近年来引起了人们的广泛研究兴趣。在铁电隧道结的研究中，高低阻态的差别通常用TER比来衡量。如何获得较高的存储效率是实现高性能数据存储需要解决的核心问题之一。

图二。(a)厚度为8.5的钛酸钡的FTJ的左偏振态和右偏振态的透射函数；(b)具有8.5厚度的BaTiO3的FTJ的左和右偏振态的层分辨投影态密度紫色、橙色和黄色分别代表Pt电极、BaTiO3中的TiO2原子层和右界面处的NaO2原子层的投影态密度。

在钙钛矿氧化物铁电隧道结Pt/BaTiO3/Pt的研究中，郑小红研究组提出，如果在隧道结的一侧界面引入负极性界面，库仑势随距离的衰减将对铁电势垒的能带倾斜产生很大影响，进而可以有效控制其输运性质和TER比。发现在铁电隧道结Pt/BaTiO3/Pt的右边界面用Na或Li取代Ti原子，可以形成带负电荷的NaO2或LiO2界面，最终可以获得105%的高TER比。这是因为当铁电势垒向左极化时，隧穿势垒的能带由于铁本身的极化而从左向右增加，带负电荷的NaO2或LiO2界面对电子的库仑排斥会进一步推高铁电势垒中电子的能带，在右界面附近增加最大，导致一些原子层价带顶在右界面上升到费米能级以上，从而实现部分金属化。因此，在这种极化状态下将获得低电阻状态。而当铁电势垒向右极化时，虽然NaO2或LiO2的负界面仍会推高电子能带，但此时由于铁的极化，势垒的能带从左向右减小，使得右界面区域的价带分布比较平坦，价带顶始终在费米能级以下。在左极化中，右原子层的金属化将在右极化状态中消失，从而呈现高阻抗状态。正是由于一侧的负界面，两种极化状态下部分金属化的产生和消失导致了较高的TER比。该方案对设计高性能铁电隧道结具有重要的参考意义。

上述工作得到了国家自然科学基金的支持，所有计算均在中国科学院超级计算中心合肥分中心完成。

资料来源:合肥材料研究所

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