鐵電隧道結作為非易失性存儲器的重要候選材料，近年來(lái)引起了人們廣泛的研究興趣。鐵電隧道結通常為三層結構，上下層為金屬電極，中間勢壘層為鐵電材料。中間鐵電層在外加電場(chǎng)下發(fā)生極化方向反轉時(shí)，通常會(huì )導致鐵電隧道結的隧穿電阻發(fā)生很大變化，表現出高電導和低電導兩個(gè)不同的導電狀態(tài)。這兩種極化態(tài)下隧道結的導電性差異可用TER比率來(lái)表示，TER比率越大越有利于區分這兩個(gè)不同的狀態(tài)。因此，如何發(fā)展新的方法以獲得更高的TER比率一直是鐵電隧道結研究中的核心科學(xué)問(wèn)題之一。 

　　鑒于此，科研人員基于已有的量子輸運理論提出可以在鐵電隧道結中引入雙勢壘結構來(lái)極大增強隧穿電致電阻效應，并且通過(guò)第一性原理計算驗證了該想法。研究人員設計了Pt/BaTiO₃/LaAlO₃/Pt/BaTiO₃/LaAlO₃/Pt雙勢壘鐵電隧道結，并利用密度泛函理論計算對其輸運性質(zhì)展開(kāi)了研究（圖1），發(fā)現鐵電左極化態(tài)和右極化態(tài)之間的反轉可以在該鐵電隧道結中實(shí)現2.21 10⁸%的巨大TER比率，較Pt/BaTiO₃/LaAlO₃/Pt單勢壘鐵電隧道結的TER比率提高至少3個(gè)數量級（圖2）。這是由于在微觀(guān)尺度下，電子通過(guò)串聯(lián)的兩個(gè)勢壘的透射函數大小與通過(guò)兩個(gè)單一勢壘的透射函數的乘積密切相關(guān)，且一個(gè)大于1的數平方以后和原數相比會(huì )呈指數增長(cháng)變化。此外，研究人員還提出了通過(guò)外加電壓?jiǎn)为毧刂泼恳粋€(gè)勢壘的極化方向，可以在雙勢壘鐵電隧道結中實(shí)現極化頭對頭和尾對尾的兩個(gè)額外的鐵電極化態(tài)，從而得到多個(gè)電阻態(tài)（圖3）。該研究表明在鐵電隧道結設計中，可以利用雙勢壘結構顯著(zhù)增強其隧穿電致電阻特性，并拓展其功能實(shí)現多態(tài)存儲。該方法并不限于特定體系，可作為鐵電隧道結設計研究中的重要參考。 

　　上述研究在南京林業(yè)大學(xué)和山西大學(xué)等單位的合作下完成，固體所博士生肖威為論文第一作者。研究得到了國家自然科學(xué)基金的資助，以及中科院超算中心合肥分中心的計算支持。 

　　全文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41524-023-01101-9。

　　 

　　圖 1 . (a) 雙勢壘鐵電隧道結兩種極化態(tài)的原子結構，結構下方的箭頭表示 BaTiO₃ 局部極化的方向和大小； (b) BaTiO₃ 中每一層 TiO₂ 沿 z 方向的 Ti-O 位移； (c) 鐵電左、右極化態(tài)沿 z 方向的平均靜電勢能分布， (b) 和 (c) 中的粉色、青色和黃色背景分別代表 Pt 、 BaTiO₃ 和 LaAlO₃ ； (d) 費米能級處雙勢壘鐵電隧道結左右極化態(tài)下二維布里淵區中的 k _∥分辨透射系數。

　　

　　圖 2 . (a) 和 (c) BaTiO₃ 厚度分別為 5.5 單胞、 11.5 單胞時(shí)單勢壘鐵電隧道結的原子結構和 BaTiO₃ 局部極化； (b) 和 (d) 兩種體系在費米能級處左右極化態(tài)下的二維布里淵區 k _∥分辨透射系數。

　　

　　圖 3 . (a) 多電阻態(tài) 雙勢壘鐵電隧道結結構示意圖，其中金屬 (M)、鐵電體 (F)和插層 (I)分別用黃色、紫色和藍色表示， V₁和 V₂表示用于控制單個(gè)鐵電勢壘極化方向的偏壓，四個(gè)黃色虛線(xiàn)框中的箭頭表示多電阻態(tài)雙勢壘鐵電隧道結的四種極化狀態(tài)分別用 P 、 P 、 P 、 P 表示； (b) BaTiO₃厚度分別為 5.5單胞、 11.5單胞的單勢壘鐵電隧道結和多電阻態(tài)雙勢壘鐵電隧道結在不同極化狀態(tài)下的電阻面積乘積。