金属所-胡卫进及合作者︱肖特基势垒调控自极化实现巨大铁电阻变开关比
日期：
2023-07-10
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铁电忆阻器以电阻的形式存储信息，其电阻与铁电畴结构密切关联，并可通过电压在亚纳秒时间尺度上进行调控，写入功耗低，在下一代非易失性存储技术中具有独特优势。器件性能（包括开关比、读写速度、数据存储容量等）与铁电畴结构及其翻转动力学密切相关。前期研究主要关注铁电极化翻转过程对阻变行为的影响，鲜有研究铁电自极化（铁电薄膜自发形成的特定铁电畴结构）对铁电阻变性能的影响。如何精准调控铁电自极化并揭示其与阻变器件性能的关联，对提升铁电阻变器件的性能具有重要意义。 围绕这一目标，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心功能材料与器件研究部胡卫进研究员、黄彪宏博士生、张志东研究员等与国内外多家单位合作，提出利用金属/铁电界面肖特基势垒调控铁电自极化的新机制，并实现了SrRuO3/(Sm,Bi)FeO3/Pt铁电二极管开关比等阻变性能的显著提升。这是继该团队在铁电二极管中发现多级电流跳跃现象之后，利用铁电畴调控铁电存储器件性能的又一突破。相关研究成果发表在ACS Nano上。研究发现，稀土Sm掺杂可有效调控铁酸铋薄膜氧空位浓度和分布，从而改变SrRuO3/BiFeO3界面肖特基势垒和退极化场强度。两者相互竞争导致铁电自极化从铁电单畴向多畴演变，畴尺寸显著变小至几十纳米。伴随铁电畴结构的转变，对应铁电二极管的阻变行为从单向阻变演变成双向阻变，可通过自极化有效调控其阻变对称性。具有铁电自极化单畴的铁酸铋铁电二极管拥有高达106的巨大开关比，比传统器件高出2个量级。该巨大开关比可以归结为铁电自极化、铁电极化翻转及其诱导的氧空位的迁移等对铁电二极管器件能带结构的综合调控。此外，该类器件电阻态的转换符合铁电极化翻转的Merz定律。随Sm掺杂浓度提高，其阻变转换的激活能从0.28 GV/m降至0.12 GV/m；阻变翻转速度从30 ns降低至设备极限6.25 ns，并展现出亚纳秒的写入潜力。该类器件也具有极低写入功耗，每存储单元写入功耗仅为5.3 飞焦，可以和先进的阻变存储、磁随机存储、相变存储器件等相媲美。
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