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铁电隧道结优化结构设计
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铁电隧道结是铁电超薄膜夹在两个电极之间的三明治结构,具有量子隧穿和电阻反转特性,即隧穿电阻效应。铁电隧道结的高低两个电阻态可以表示逻辑态的“0”和“1”,可应用于下一代非挥发性随机存取存储器,因此近十年来受到了广泛的关注。衡量铁电隧道结性能的一个重要指标是两个电阻态的比值,即TER值。大的TER值可以更好地区分两个阻态,提高器件的信号输出水平。章天金教授和马志军博士从理论上通过对铁电隧道结的结构优化实现了更高的TER值。

(1) 固定复合势垒层(介电/铁电)的厚度,研究了厚度分布对铁电隧道结隧穿电阻效应的影响,发现存在一个最佳的介电厚度使得TER最大。最佳介电厚度对铁电层铁电性强弱不敏感,并且和复合势垒层厚度呈线性关系。如果考虑铁电性的尺寸效应,则与不考虑铁电性尺寸效应相比,对于Pt/MgO/BaTiO3/Pt和Pt/SrTiO3/BaTiO3/Pt复合隧道结,其最佳介电厚度的改变值都在一个单胞厚度之内。这说明当自发极化强度随厚度变化比较平缓时采用恒定的极化强度来计算最佳介电厚度还是有效的。相关研究成果发表在J. Appl. Phys., 111, 074311 (2012)上。

(2) 提出了共振隧穿铁电隧道结的概念。以非极性介电薄膜和铁电薄膜作势垒,超薄金属层或导电性金属氧化物作势阱,研究了单势阱共振隧穿铁电隧道结中的隧穿电阻效应。结果表明TER值的大小由共振隧穿效应和复合隧穿势垒的非对称性共同决定。对于Pt/MgO/Pt/PbTiO3(PTO)/Pt铁电隧道结,当Pt中间层较薄(1个单胞)时,势垒的非对称性占主导地位。随Pt中间层厚度增加,共振隧穿效应增强。当Pt中间层达到3个单胞厚度时,共振隧穿效应占主导地位。当Pt中间层为2~3个单胞层厚度时,与总隧穿厚度相同的Pt/MgO/PTO/Pt铁电隧道结相比,TER值可以在一个很大的自发极化强度范围内提高至少一个数量级。对于SrRuO3(SRO)/SrTiO3(STO)/SRO/PTO/SRO铁电隧道结,当SRO导电性中间层厚度为2个单胞时, TER值在个一很大的极化强度范围内比相同复合势垒厚度的SRO/STO/PTO/SRO隧道结高出1~3个数量级。相关研究成果发表在Appl. Phys. Lett., 101, 022906 (2012)上。

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