Gigantische tunneling-elektroweerstand in ferro-elektrische tunnelovergangen met succes verkregen in een nieuw voorgesteld schema

Onlangs, in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordeling toegepasteen onderzoeksteam van de Hefei Institutes of Physical Science (HFIPS), Chinese Academie van Wetenschappen (CAS), bestudeerde de grensvlakcontrole van transporteigenschappen van perovskietoxide ferro-elektrische tunnelovergangen (FTJ’s) en stelde een nieuw schema voor om een ​​gigantische tunneling-elektroweerstand te bereiken ( TER) in FTJ’s.

Volgens Zheng Xiaohong, leider van het team, een TER-ratio van maximaal 10⁵ % werd verkregen door een negatieve polaire atomaire laag te introduceren op een van de grensvlakken van de symmetrische Pt/BaTiO₃/Pt FTJ.

FTJ is een tunnelovergang waarin een dunne ferro-elektrische film is ingeklemd tussen twee metalen elektroden. De weerstand is sterk afhankelijk van de polarisatierichting van de ferro-elektrische barrière. Twee sterk verschillende toestanden met respectievelijk hoge en lage weerstanden kunnen worden verkregen door de polarisatierichting om te keren met een extern elektrisch veld.

FTJ’s hebben belangrijke toepassingen in niet-vluchtige geheugens met willekeurige toegang. Met voordelen van een hoge gegevensopslagdichtheid, hoge lees-/schrijfsnelheid en een laag stroomverbruik, hebben ze veel onderzoeksinteresse gewekt als geheugenelementen. Het verschil tussen de hoge en lage weerstandstoestanden wordt meestal gekenmerkt door de TER-ratio. Daarom is het verkrijgen van een hoge TER-ratio altijd een van de belangrijkste kwesties in de studie van FTJ’s.

In dit onderzoek stelden wetenschappers een nieuw schema voor om gigantische TER-verhoudingen te realiseren door een negatieve polaire atomaire laag te introduceren op één interface van de FTJ.

In de symmetrische Pt/BaTiO₃/Pt FTJ, een negatieve NaO₂ of LiO₂ interface wordt gevormd door Ti te vervangen door Na- of Li-atomen op de juiste interface van Pt/BaTiO₃/Pt tunnel knooppunt. dan een 10⁵ % TER-ratio werd bereikt dankzij deze extra NaO₂ of LiO₂ laag.

Het mechanisme is geworteld in het grote verschil in de potentiaalverandering in de ferro-elektrische barrière die voortkomt uit het negatieve polaire grensvlak in de twee gepolariseerde toestanden.

Wanneer de ferro-elektrische barrière gepolariseerd blijft, nemen de banden van de barrière bij elke atoomlaag van links naar rechts toe. Ondertussen, als gevolg van Coulomb-afstoting, de negatief geladen NaO₂ of LiO₂ interface duwt de banden van de barrière verder omhoog en nabij het rechter interfacegebied stijgt het valentiebandmaximum (VBM) boven de Fermi-energie, wat leidt tot gedeeltelijke metallisatie.

In de juiste polarisatietoestand, hoewel de Coulomb-afstoting bij de NaO₂ of LiO₂ interface nog steeds bestaat, neemt de band van de ferro-elektrische barrière zelf van links naar rechts af. Door de opheffing daartussen is de valentiebandverdeling in de hele barrière relatief vlak en ligt de VBM altijd onder de Fermi-energie, zonder het optreden van gedeeltelijke metallisatie. Het optreden en verdwijnen van gedeeltelijke metallisatie in de twee polarisatietoestanden verandert de effectieve barrièrebreedte aanzienlijk en leidt tot de lage en hoge weerstandstoestanden, waarbij vervolgens een gigantische TER-verhouding wordt bereikt.

De studie geeft aan dat een negatief geladen polaire interface op basis van interfaciale substitutie een haalbaar schema is om een ​​grote TER-ratio in FTJ’s te bereiken en een belangrijke referentie vormt voor het ontwerp van hoogwaardige FTJ’s.