【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】鐵電憶阻器以電阻的形式存儲信息，其電阻與鐵電疇結(jié)構(gòu)密切關(guān)聯(lián)，并可通過電壓在亞納秒時間尺度上進(jìn)行調(diào)控，寫入功耗低，在下一代非易失性存儲技術(shù)中具有獨(dú)特優(yōu)勢。器件性能（包括開關(guān)比、讀寫速度、數(shù)據(jù)存儲容量等）與鐵電疇結(jié)構(gòu)及其翻轉(zhuǎn)動力學(xué)密切相關(guān)。前期研究主要關(guān)注鐵電極化翻轉(zhuǎn)過程對阻變行為的影響，鮮有關(guān)于鐵電自極化（鐵電薄膜自發(fā)形成的特定鐵電疇結(jié)構(gòu)）對鐵電阻變性能的影響的研究。如何精準(zhǔn)調(diào)控鐵電自極化并揭示其與阻變器件性能的關(guān)聯(lián)，對提升鐵電阻變器件的性能具有重要意義。
圍繞這一目標(biāo)，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)、博士研究生黃彪宏、研究員張志東等，提出了利用金屬/鐵電界面肖特基勢壘調(diào)控鐵電自極化的新機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了SrRuO3/(Sm,Bi)FeO3/Pt鐵電二極管開關(guān)比等阻變性能的顯著提升。研究發(fā)現(xiàn)，稀土Sm摻雜可有效調(diào)控鐵酸鉍薄膜氧空位濃度和分布，從而改變SrRuO3/BIFeO3界面肖特基勢壘和退極化場強(qiáng)度。兩者相互競爭導(dǎo)致鐵電自極化從鐵電單疇向多疇演變，疇尺寸顯著變小至幾十納米。伴隨鐵電疇結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，對應(yīng)鐵電二極管的阻變行為從單向阻變演變成雙向阻變，可通過自極化有效調(diào)控其阻變對稱性。具有鐵電自極化單疇的鐵酸鉍鐵電二極管擁有高達(dá)106的巨大開關(guān)比，比傳統(tǒng)器件高出2個量級。該巨大開關(guān)比可以歸結(jié)為鐵電自極化、鐵電極化翻轉(zhuǎn)及其誘導(dǎo)的氧空位的遷移等對鐵電二極管器件能帶結(jié)構(gòu)的綜合調(diào)控。此外，該類器件電阻態(tài)的轉(zhuǎn)換符合鐵電極化翻轉(zhuǎn)的Merz定律。隨Sm摻雜濃度提高，鐵電二極管阻變轉(zhuǎn)換的激活能從0.28GV/m降至0.12GV/m；阻變翻轉(zhuǎn)速度從30ns降低至設(shè)備極限6.25ns，并展現(xiàn)出亞納秒的寫入潛力。該類器件具有極低寫入功耗，每存儲單元寫入功耗僅為5.3飛焦，可以和先進(jìn)的阻變存儲、磁隨機(jī)存儲、相變存儲器件等媲美。
上述成果是繼該團(tuán)隊(duì)在鐵電二極管中發(fā)現(xiàn)多級電流跳躍現(xiàn)象之后，利用鐵電疇調(diào)控鐵電存儲器件性能的又一突破。6月27日，相關(guān)研究成果以Schottky Barrier Control of Self-Polarization for a Colossal Ferroelectric Resistive Switching為題，發(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)會納米》(ACS Nano) 上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和面上項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、沈陽材料科學(xué)國家研究中心以及上海同步輻射光源的支持。
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