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鐵電阻變材料的應用與發(fā)展前景

日期:2021-01-07瀏覽:1432次

  不同于鐵電材料在極化翻轉過程中產生的瞬態(tài)電流,鐵電極化調制鐵電材料內部電阻在 2009 年以前鮮有報道,尚未有成熟的理論。傳統(tǒng)意義上,當鐵電材料的電阻值在絕緣體范圍,鐵電極化能夠被翻轉,同時伴隨較大的瞬態(tài)極化電流,但是穿過鐵電材料自身的穩(wěn)態(tài)電流(比如漏電流) 微弱,此時無需考慮鐵電極化與鐵電材料自身穩(wěn)態(tài)電流的耦合關系。當鐵電材料的電阻值較小時,鐵電極化難以翻轉,即難以觀測到鐵電極化翻轉與鐵電材料自身穩(wěn)態(tài)電流的耦合現象。2000 年前后 Julian 等人提出,如果鐵電薄膜尺度在 5 nm 以下,電子可以在小于鐵電矯頑場的電場作用下隧穿鐵電薄膜,樣品的電阻值較小,鐵電薄膜的極化翻轉將影響電子隧穿勢能和隧穿電流。理論上,電子隧穿幾率隨鐵電薄膜厚度的增加而指數降低,所以隧穿理論無法解釋鐵電極化如何調控 10 nm 以上厚度鐵電樣品的穩(wěn)態(tài)電流。2009 年以來,鐵電極化調控鐵電材料自身電阻有重大突破,揭開了這一領域快速發(fā)展的序幕。美國 Rut- gers University 大學的 Choi 制備了 70 μm,單一鐵電疇,具有半導體特征的 BiFeO3 單晶,他們發(fā)現電流 - 電場曲線具有單向電流特征,樣品在光輻射條件下產生光伏電流,并且極化翻轉可以調控單向電流和光伏效應(圖 6)。法國 CNRS 實驗室的 Garcia 等發(fā)現,納米級厚度的 BaTiO3 外延薄膜具有良好的鐵電性,電子能夠量子隧穿鐵電薄膜,而且鐵電薄膜的極化翻轉引起隧穿勢壘的變化,從而導致鐵電薄膜極化翻轉前后穿過鐵電薄膜的隧穿電流劇烈變化,比如,在 3 nm 的 BaTiO3鐵電薄膜中,鐵電極化翻轉可以導致薄膜的電阻變化750 倍(圖 7)。進一步的研究發(fā)現在 2 nm-Fe /1 nm- BaTiO3 /30 nm-La0. 67 Sr0. 33MnO3 的“三明治”隧道磁電阻結構中,隧穿電流同時受到磁矩和鐵電極化翻轉的雙重調控(圖 8)。美國 Oak Ridge 實驗室 Peter 等發(fā)現,在 30 ~ 50 nm Pb ( Zr0. 2 Ti0. 8 ) O3,100 ~ 120 nm 的 (Bi0. 875Ca0. 125 )FeO3薄膜中,鐵電極化翻轉導致樣品的阻值變化高達 500 倍,電流 - 電場曲線具有記憶功能和單向電流特征。加州伯克利的 Ramesh 等人發(fā)現 Bi1 - x CaxFeO3 外延薄膜中氧空位是 N 型摻雜,Ca 是 P 型摻雜,Bi0. 875Ca0. 125FeO3 外延薄膜中可以同時存在 N 型、P型和 P-N 結,鐵電極化過程中容易引起氧空位遷徙,從而調控 P-N 結和其電流特征。不同于鐵電場效應管(通過鐵電極化翻轉引起 Si 溝道內的載流子濃度和電阻變化),鐵電極化翻轉改變其自身的穩(wěn)態(tài)電流和電阻,目前尚不清楚鐵電極化翻轉如何調制材料自身的能帶帶隙、隧穿勢壘、載流子、耗盡層等。先前的理論,無法解釋上述論文報道的復雜多變的實驗現象,相關作者也只是羅列了幾種可能的解釋。
 
  雖然上述半導體二極管調制、光伏電流調制、電致電阻調制、隧道磁電阻調制等現象復雜多變、牽涉多種材料和異質結,但都是通過鐵電極化翻轉調控穿過鐵電層自身的電子穩(wěn)態(tài)輸運過程,因此都屬于“鐵電極化—電子穩(wěn)態(tài)輸運”耦合范疇。
 
  通過鐵電極化調控電阻和磁電阻等電子的輸運過程涉及多個領域: 納米級鐵電薄膜中電子的量子隧穿; 鐵電極化調控類二極管的單向電流; 鐵電極化調制光伏效應甚至非線性光學系數; 鐵電極化誘導半導體耗盡層等。上述這些復雜的實驗現象,可以總結為“鐵電極化—電子穩(wěn)態(tài)輸運”耦合效應。這類現象比較復雜,也尚未有豐富的實驗數據可供參考,因此當前的認識還比較模糊??傊?,進一步探索新材料、新體系和深化相關物理機制的研究,將有助于人們把對“鐵電極化—電子穩(wěn)態(tài)輸運”耦合的理解推進到更深更廣的層次。
 
  不同于鐵電材料在極化翻轉過程中產生的瞬態(tài)電流,鐵電極化調制鐵電材料內部電阻在 2009 年以前鮮有報道,尚未有成熟的理論。傳統(tǒng)意義上,當鐵電材料的電阻值在絕緣體范圍,鐵電極化能夠被翻轉,同時伴隨較大的瞬態(tài)極化電流,但是穿過鐵電材料自身的穩(wěn)態(tài)電流(比如漏電流) 微弱,此時無需考慮鐵電極化與鐵電材料自身穩(wěn)態(tài)電流的耦合關系。當鐵電材料的電阻值較小時,鐵電極化難以翻轉,即難以觀測到鐵電極化翻轉與鐵電材料自身穩(wěn)態(tài)電流的耦合現象。2000 年前后 Julian 等人提出,如果鐵電薄膜尺度在 5 nm 以下,電子可以在小于鐵電矯頑場的電場作用下隧穿鐵電薄膜,樣品的電阻值較小,鐵電薄膜的極化翻轉將影響電子隧穿勢能和隧穿電流。理論上,電子隧穿幾率隨鐵電薄膜厚度的增加而指數降低,所以隧穿理論無法解釋鐵電極化如何調控 10 nm 以上厚度鐵電樣品的穩(wěn)態(tài)電流。2009 年以來,鐵電極化調控鐵電材料自身電阻有重大突破,揭開了這一領域快速發(fā)展的序幕。美國 Rut- gers University 大學的 Choi 制備了 70 μm,單一鐵電疇,具有半導體特征的 BiFeO3 單晶,他們發(fā)現電流 - 電場曲線具有單向電流特征,樣品在光輻射條件下產生光伏電流,并且極化翻轉可以調控單向電流和光伏效應(圖 6)。法國 CNRS 實驗室的 Garcia 等發(fā)現,納米級厚度的 BaTiO3 外延薄膜具有良好的鐵電性,電子能夠量子隧穿鐵電薄膜,而且鐵電薄膜的極化翻轉引起隧穿勢壘的變化,從而導致鐵電薄膜極化翻轉前后穿過鐵電薄膜的隧穿電流劇烈變化,比如,在 3 nm 的 BaTiO3鐵電薄膜中,鐵電極化翻轉可以導致薄膜的電阻變化750 倍(圖 7)。進一步的研究發(fā)現在 2 nm-Fe /1 nm- BaTiO3 /30 nm-La0. 67 Sr0. 33MnO3 的“三明治”隧道磁電阻結構中,隧穿電流同時受到磁矩和鐵電極化翻轉的雙重調控(圖 8)。美國 Oak Ridge 實驗室 Peter 等發(fā)現,在 30 ~ 50 nm Pb ( Zr0. 2 Ti0. 8 ) O3,100 ~ 120 nm 的 (Bi0. 875Ca0. 125 )FeO3薄膜中,鐵電極化翻轉導致樣品的阻值變化高達 500 倍,電流 - 電場曲線具有記憶功能和單向電流特征。加州伯克利的 Ramesh 等人發(fā)現 Bi1 - x CaxFeO3 外延薄膜中氧空位是 N 型摻雜,Ca 是 P 型摻雜,Bi0. 875Ca0. 125FeO3 外延薄膜中可以同時存在 N 型、P型和 P-N 結,鐵電極化過程中容易引起氧空位遷徙,從而調控 P-N 結和其電流特征。不同于鐵電場效應管(通過鐵電極化翻轉引起 Si 溝道內的載流子濃度和電阻變化),鐵電極化翻轉改變其自身的穩(wěn)態(tài)電流和電阻,目前尚不清楚鐵電極化翻轉如何調制材料自身的能帶帶隙、隧穿勢壘、載流子、耗盡層等。先前的理論,無法解釋上述論文報道的復雜多變的實驗現象,相關作者也只是羅列了幾種可能的解釋。
 
  雖然上述半導體二極管調制、光伏電流調制、電致電阻調制、隧道磁電阻調制等現象復雜多變、牽涉多種材料和異質結,但都是通過鐵電極化翻轉調控穿過鐵電層自身的電子穩(wěn)態(tài)輸運過程,因此都屬于“鐵電極化—電子穩(wěn)態(tài)輸運”耦合范疇。
 
  通過鐵電極化調控電阻和磁電阻等電子的輸運過程涉及多個領域: 納米級鐵電薄膜中電子的量子隧穿; 鐵電極化調控類二極管的單向電流; 鐵電極化調制光伏效應甚至非線性光學系數; 鐵電極化誘導半導體耗盡層等。上述這些復雜的實驗現象,可以總結為“鐵電極化—電子穩(wěn)態(tài)輸運”耦合效應。這類現象比較復雜,也尚未有豐富的實驗數據可供參考,因此當前的認識還比較模糊??傊?,進一步探索新材料、新體系和深化相關物理機制的研究,將有助于人們把對“鐵電極化—電子穩(wěn)態(tài)輸運”耦合的理解推進到更深更廣的層次。

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