鐵電隧道結(jié)是在兩側(cè)金屬電極之間通過嵌入鐵電薄膜作為隧穿勢(shì)壘而形成的隧道結(jié)。由于鐵電隧穿勢(shì)壘的極化方向可以通過調(diào)節(jié)外電場(chǎng)的方向而發(fā)生反轉(zhuǎn)，并伴隨高低兩種不同的電阻態(tài)，在存儲(chǔ)器中可以分別表示“0”和“1”兩個(gè)邏輯態(tài)，因此鐵電隧道結(jié)在非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器中具有重要應(yīng)用。作為新一代存儲(chǔ)器件的重要候選者，鐵電隧道結(jié)由于其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度高、讀寫速度快、功耗低等特點(diǎn)，近年來激發(fā)了人們的廣泛研究興趣。在針對(duì)鐵電隧道結(jié)的研究中，高低兩個(gè)電阻態(tài)的差異通常由TER比率來衡量，如何得到高的TER比率是實(shí)現(xiàn)高性能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需要解決的核心問題之一。 

　　 鄭小宏研究員課題組在鈣鈦礦氧化物鐵電隧道結(jié)Pt/BaTiO₃/Pt的研究中提出，如果在隧道結(jié)的一側(cè)界面引入負(fù)的極性界面，其引起的庫(kù)倫勢(shì)隨距離的衰減將對(duì)鐵電勢(shì)壘的能帶傾斜產(chǎn)生很大的影響，進(jìn)而能夠有效調(diào)控其輸運(yùn)性質(zhì)和TER比率。研究發(fā)現(xiàn)，通過在鐵電隧道結(jié)Pt/BaTiO₃/Pt右界面即BaTiO₃/Pt界面處用Na或Li替換Ti原子，可以形成帶負(fù)電的NaO₂或LiO₂界面，最終可獲得10⁵ %量級(jí)的高TER比率。這是由于當(dāng)鐵電勢(shì)壘左極化時(shí)，鐵電極化本身引起隧穿勢(shì)壘的能帶從左到右升高，帶負(fù)電的NaO₂或LiO₂界面對(duì)電子的庫(kù)倫排斥作用將進(jìn)一步推高鐵電勢(shì)壘中的電子能帶，并且在靠近右側(cè)界面處升高幅度最大，導(dǎo)致右側(cè)界面處部分原子層價(jià)帶頂上升到費(fèi)米能級(jí)以上，從而實(shí)現(xiàn)部分金屬化，因此在這一極化態(tài)下將獲得一個(gè)低電阻態(tài)。然而當(dāng)鐵電勢(shì)壘右極化時(shí)，盡管NaO₂或LiO₂負(fù)極性界面依然會(huì)推高電子能帶，但由于此時(shí)鐵電極化引起勢(shì)壘的能帶從左到右下降，因此兩者的共同作用相互抵消，使得右側(cè)界面區(qū)域的價(jià)帶分布比較平坦并且價(jià)帶頂始終在費(fèi)米能級(jí)以下，左極化時(shí)右側(cè)部分原子層的金屬化將在右極化狀態(tài)下消失，從而表現(xiàn)為一個(gè)高阻態(tài)。正是這種在一側(cè)負(fù)極性界面的作用下，兩種極化狀態(tài)下的部分金屬化的產(chǎn)生與消失導(dǎo)致了高TER比率，這一方案對(duì)設(shè)計(jì)高性能鐵電隧道結(jié)具有重要參考意義。 

　　上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助，所有計(jì)算在中科院超算中心合肥分中心完成。 

圖2. （a）BaTiO₃厚度為8.5 u.c.的Na_Ti-FTJ的左極化態(tài)和右極化態(tài)的透射函數(shù)；（b）BaTiO₃厚度為8.5 u.c.的Na_Ti-FTJ的左極化態(tài)和右極化態(tài)的層分辨的投影態(tài)密度。紫色、橙色和黃色分別代表Pt電極、BaTiO₃中TiO₂原子層和右界面處NaO₂原子層的投影態(tài)密度。