鐵電隧道結(jié)作為非易失性存儲器的重要候選材料，近年來引起了人們廣泛的研究興趣。鐵電隧道結(jié)通常為三層結(jié)構(gòu)，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下發(fā)生極化方向反轉(zhuǎn)時，通常會導致鐵電隧道結(jié)的隧穿電阻發(fā)生很大變化，表現(xiàn)出高電導和低電導兩個不同的導電狀態(tài)。這兩種極化態(tài)下隧道結(jié)的導電性差異可用TER比率來表示，TER比率越大越有利于區(qū)分這兩個不同的狀態(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(jié)研究中的核心科學問題之一。 

　　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(jié)中引入雙勢壘結(jié)構(gòu)來極大增強隧穿電致電阻效應(yīng)，并且通過第一性原理計算驗證了該想法。研究人員設(shè)計了Pt/BaTiO₃/LaAlO₃/Pt/BaTiO₃/LaAlO₃/Pt雙勢壘鐵電隧道結(jié)，并利用密度泛函理論計算對其輸運性質(zhì)展開了研究（圖1），發(fā)現(xiàn)鐵電左極化態(tài)和右極化態(tài)之間的反轉(zhuǎn)可以在該鐵電隧道結(jié)中實現(xiàn)2.21 10⁸%的巨大TER比率，較Pt/BaTiO₃/LaAlO₃/Pt單勢壘鐵電隧道結(jié)的TER比率提高至少3個數(shù)量級（圖2）。這是由于在微觀尺度下，電子通過串聯(lián)的兩個勢壘的透射函數(shù)大小與通過兩個單一勢壘的透射函數(shù)的乘積密切相關(guān)，且一個大于1的數(shù)平方以后和原數(shù)相比會呈指數(shù)增長變化。此外，研究人員還提出了通過外加電壓單獨控制每一個勢壘的極化方向，可以在雙勢壘鐵電隧道結(jié)中實現(xiàn)極化頭對頭和尾對尾的兩個額外的鐵電極化態(tài)，從而得到多個電阻態(tài)（圖3）。該研究表明在鐵電隧道結(jié)設(shè)計中，可以利用雙勢壘結(jié)構(gòu)顯著增強其隧穿電致電阻特性，并拓展其功能實現(xiàn)多態(tài)存儲。該方法并不限于特定體系，可作為鐵電隧道結(jié)設(shè)計研究中的重要參考。 

　　上述研究在南京林業(yè)大學和山西大學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(jié)兩種極化態(tài)的原子結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)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(jié)左右極化態(tài)下二維布里淵區(qū)中的 k _∥分辨透射系數(shù)。

　　

　　圖 2 . (a) 和 (c) BaTiO₃ 厚度分別為 5.5 單胞、 11.5 單胞時單勢壘鐵電隧道結(jié)的原子結(jié)構(gòu)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(qū) k _∥分辨透射系數(shù)。

　　

　　圖 3 . (a) 多電阻態(tài) 雙勢壘鐵電隧道結(jié)結(jié)構(gòu)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表示用于控制單個鐵電勢壘極化方向的偏壓，四個黃色虛線框中的箭頭表示多電阻態(tài)雙勢壘鐵電隧道結(jié)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(jié)和多電阻態(tài)雙勢壘鐵電隧道結(jié)在不同極化狀態(tài)下的電阻面積乘積。