【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，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心功能材料與器件研究部研究員胡衛(wèi)進、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制，實現(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度。兩者相互競爭導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，可以和先進的阻變存儲、磁隨機存儲、相變存儲器件等媲美。
上述成果是繼該團隊在鐵電二極管中發(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《美國化學學會納米》(ACS Nano) 上。研究工作得到國家自然科學基金重點項目和面上項目、國家重點研發(fā)計劃、沈陽材料科學國家研究中心以及上海同步輻射光源的支持。
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