金属所揭示肖特基势垒调控自极化实现巨大铁电阻变开关比
来源： 中科院金属研究所 发布时间：2023-07-10
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，鲜有关于铁电自极化（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的研究。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研究员胡卫进、博士研究生黄彪宏、研究员张志东等，提出了利用金属/铁电界面肖特基势垒调控铁电自极化的新机制，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。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，铁电二极管阻变转换的激活能从0.28gv/m降至0.12gv/m；阻变翻转速度从30ns降低至设备极限6.25ns，并展现出亚纳秒的写入潜力。该类器件具有极低写入功耗，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、相变存储器件等媲美。
上述成果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。6月27日，相关研究成果以schottky barrier control of self-polarization for a colossal ferroelectric resistive switching为题，发表在(acs nano) 上。研究工作得到国家自然科学基金重点项目和面上项目、国家重点研发计划、沈阳材料科学国家研究中心以及上海同步辐射光源的支持。
图1. 铁电畴的调控方式。（a）电极电荷屏蔽效应；（b）截止面的电荷失配效应；（c）缺陷偶极子与铁电极化的静电耦合效应；（d）挠曲电效应；（e）本工作提出的金属/铁电异质界面肖特基势垒效应。
图2. srruo3/(bi,sm)feo3薄膜的自极化铁电畴表征。（a）（d）（g）压电力显微镜的相位图；（b）（e）（h）单点压电回线及矫顽电压统计图；（c）（f）（i）srruo3/(bi,sm)feo3界面的高角度环形暗场像。
图3. srruo3/(bi,sm)feo3界面肖特基势垒。（a）sm掺杂调控界面势垒（左轴）及bifeo3中氧空位形成能（右轴）；（b）(bi,sm)feo3薄膜的吸光系数和光学带隙；（c）(bi,sm)feo3薄膜的光电流；（d）sm掺杂调控bifeo3费米能级示意图。
图4. 不同薄膜厚度下氧空位的浓度与分布。（a）bifeo3，（b）sm0.05bi0.95feo3和（c）sm0.1bi0.9feo3的x射线光电子能谱；（d）不同sm掺杂bifeo3薄膜的fe2 /fe3 浓度比值（左轴）及氧空位浓度bifeo3-δ值（右轴）；（e）bifeo3的x射线吸收谱。
图5. (bi,sm)feo3薄膜铁电自极化的调控机制。界面肖特基势垒和退极化场的相互竞争导致铁电多畴的形成。两者均与氧空位浓度及其分布密切相关。
图6. srruo3/(bi,sm)feo3/pt忆阻器的阻变翻转行为。（a-c）i-v曲线；（d-f）bifeo3二极管在初始态、极化向下态，极化向上态的能带结构示意图；（g）bifeo3二极管在78k下的i-v回线（左轴）及相应的p-v回线（右轴）；（h）电极化对bifeo3二极管i-v阻变行为的影响；（i）不同电压扫描过程对i-v阻变行为的影响；（j）srruo3/(bi,sm)feo3/pt器件的开关比；（k）各类铁电二极管的开关比。
图7. srruo3/(bi,sm)feo3/pt忆阻器的器件性能。（a-c）阻变记忆回线；（d-f）电阻保持性能；（g-i）电阻疲劳性能；（j-l）阻变翻转动力学。
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