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铁电阻变材料的应用与发展前景

日期:2021-01-07浏览:475次

  不同于铁电材料在极化翻转过程中产生的瞬态电流,铁电极化调制铁电材料内部电阻在 2009 年以前鲜有报道,尚未有成熟的理论。传统意义上,当铁电材料的电阻值在绝缘体范围,铁电极化能够被翻转,同时伴随较大的瞬态极化电流,但是穿过铁电材料自身的稳态电流(比如漏电流) 非常微弱,此时无需考虑铁电极化与铁电材料自身稳态电流的耦合关系。当铁电材料的电阻值较小时,铁电极化难以翻转,即难以观测到铁电极化翻转与铁电材料自身稳态电流的耦合现象。2000 年前后 Julian 等人提出,如果铁电薄膜尺度在 5 nm 以下,电子可以在小于铁电矫顽场的电场作用下隧穿铁电薄膜,样品的电阻值较小,铁电薄膜的极化翻转将影响电子隧穿势能和隧穿电流。理论上,电子隧穿几率随铁电薄膜厚度的增加而指数降低,所以隧穿理论无法独立解释铁电极化如何调控 10 nm 以上厚度铁电样品的稳态电流。2009 年以来,铁电极化调控铁电材料自身电阻有重大突破,揭开了这一领域快速发展的序幕。美国 Rut- gers University 大学的 Choi 制备了 70 μm,单一铁电畴,具有半导体特征的 BiFeO3 单晶,他们发现电流 - 电场曲线具有单向电流特征,样品在光辐射条件下产生光伏电流,并且极化翻转可以调控单向电流和光伏效应(图 6)。法国 CNRS 国家实验室的 Garcia 等发现,纳米级厚度的 BaTiO3 外延薄膜具有良好的铁电性,电子能够量子隧穿铁电薄膜,而且铁电薄膜的极化翻转引起隧穿势垒的变化,从而导致铁电薄膜极化翻转前后穿过铁电薄膜的隧穿电流剧烈变化,比如,在 3 nm 的 BaTiO3铁电薄膜中,铁电极化翻转可以导致薄膜的电阻变化750 倍(图 7)。进一步的研究发现在 2 nm-Fe /1 nm- BaTiO3 /30 nm-La0. 67 Sr0. 33MnO3 的“三明治”隧道磁电阻结构中,隧穿电流同时受到磁矩和铁电极化翻转的双重调控(图 8)。美国 Oak Ridge 国家实验室 Peter 等发现,在 30 ~ 50 nm Pb ( Zr0. 2 Ti0. 8 ) O3,100 ~ 120 nm 的 (Bi0. 875Ca0. 125 )FeO3薄膜中,铁电极化翻转导致样品的阻值变化高达 500 倍,电流 - 电场曲线具有记忆功能和单向电流特征。加州伯克利的 Ramesh 等人发现 Bi1 - x CaxFeO3 外延薄膜中氧空位是 N 型掺杂,Ca 是 P 型掺杂,Bi0. 875Ca0. 125FeO3 外延薄膜中可以同时存在 N 型、P型和 P-N 结,铁电极化过程中容易引起氧空位迁徙,从而调控 P-N 结和其电流特征。不同于铁电场效应管(通过铁电极化翻转引起 Si 沟道内的载流子浓度和电阻变化),铁电极化翻转改变其自身的稳态电流和电阻,目前尚不清楚铁电极化翻转如何调制材料自身的能带带隙、隧穿势垒、载流子、耗尽层等。先前的理论,无法完美解释上述论文报道的复杂多变的实验现象,相关作者也只是罗列了几种可能的解释。
 
  虽然上述半导体二极管调制、光伏电流调制、电致电阻调制、隧道磁电阻调制等现象复杂多变、牵涉多种材料和异质结,但都是通过铁电极化翻转调控穿过铁电层自身的电子稳态输运过程,因此都属于“铁电极化—电子稳态输运”耦合范畴。
 
  通过铁电极化调控电阻和磁电阻等电子的输运过程涉及多个领域: 纳米级铁电薄膜中电子的量子隧穿; 铁电极化调控类二极管的单向电流; 铁电极化调制光伏效应甚至非线性光学系数; 铁电极化诱导半导体耗尽层等。上述这些复杂的实验现象,可以总结为“铁电极化—电子稳态输运”耦合效应。这类现象比较复杂,也尚未有丰富的实验数据可供参考,因此当前的认识还比较模糊。总之,进一步探索新材料、新体系和深化相关物理机制的研究,将有助于人们把对“铁电极化—电子稳态输运”耦合的理解推进到更深更广的层次。
 
  不同于铁电材料在极化翻转过程中产生的瞬态电流,铁电极化调制铁电材料内部电阻在 2009 年以前鲜有报道,尚未有成熟的理论。传统意义上,当铁电材料的电阻值在绝缘体范围,铁电极化能够被翻转,同时伴随较大的瞬态极化电流,但是穿过铁电材料自身的稳态电流(比如漏电流) 非常微弱,此时无需考虑铁电极化与铁电材料自身稳态电流的耦合关系。当铁电材料的电阻值较小时,铁电极化难以翻转,即难以观测到铁电极化翻转与铁电材料自身稳态电流的耦合现象。2000 年前后 Julian 等人提出,如果铁电薄膜尺度在 5 nm 以下,电子可以在小于铁电矫顽场的电场作用下隧穿铁电薄膜,样品的电阻值较小,铁电薄膜的极化翻转将影响电子隧穿势能和隧穿电流。理论上,电子隧穿几率随铁电薄膜厚度的增加而指数降低,所以隧穿理论无法独立解释铁电极化如何调控 10 nm 以上厚度铁电样品的稳态电流。2009 年以来,铁电极化调控铁电材料自身电阻有重大突破,揭开了这一领域快速发展的序幕。美国 Rut- gers University 大学的 Choi 制备了 70 μm,单一铁电畴,具有半导体特征的 BiFeO3 单晶,他们发现电流 - 电场曲线具有单向电流特征,样品在光辐射条件下产生光伏电流,并且极化翻转可以调控单向电流和光伏效应(图 6)。法国 CNRS 国家实验室的 Garcia 等发现,纳米级厚度的 BaTiO3 外延薄膜具有良好的铁电性,电子能够量子隧穿铁电薄膜,而且铁电薄膜的极化翻转引起隧穿势垒的变化,从而导致铁电薄膜极化翻转前后穿过铁电薄膜的隧穿电流剧烈变化,比如,在 3 nm 的 BaTiO3铁电薄膜中,铁电极化翻转可以导致薄膜的电阻变化750 倍(图 7)。进一步的研究发现在 2 nm-Fe /1 nm- BaTiO3 /30 nm-La0. 67 Sr0. 33MnO3 的“三明治”隧道磁电阻结构中,隧穿电流同时受到磁矩和铁电极化翻转的双重调控(图 8)。美国 Oak Ridge 国家实验室 Peter 等发现,在 30 ~ 50 nm Pb ( Zr0. 2 Ti0. 8 ) O3,100 ~ 120 nm 的 (Bi0. 875Ca0. 125 )FeO3薄膜中,铁电极化翻转导致样品的阻值变化高达 500 倍,电流 - 电场曲线具有记忆功能和单向电流特征。加州伯克利的 Ramesh 等人发现 Bi1 - x CaxFeO3 外延薄膜中氧空位是 N 型掺杂,Ca 是 P 型掺杂,Bi0. 875Ca0. 125FeO3 外延薄膜中可以同时存在 N 型、P型和 P-N 结,铁电极化过程中容易引起氧空位迁徙,从而调控 P-N 结和其电流特征。不同于铁电场效应管(通过铁电极化翻转引起 Si 沟道内的载流子浓度和电阻变化),铁电极化翻转改变其自身的稳态电流和电阻,目前尚不清楚铁电极化翻转如何调制材料自身的能带带隙、隧穿势垒、载流子、耗尽层等。先前的理论,无法完美解释上述论文报道的复杂多变的实验现象,相关作者也只是罗列了几种可能的解释。
 
  虽然上述半导体二极管调制、光伏电流调制、电致电阻调制、隧道磁电阻调制等现象复杂多变、牵涉多种材料和异质结,但都是通过铁电极化翻转调控穿过铁电层自身的电子稳态输运过程,因此都属于“铁电极化—电子稳态输运”耦合范畴。
 
  通过铁电极化调控电阻和磁电阻等电子的输运过程涉及多个领域: 纳米级铁电薄膜中电子的量子隧穿; 铁电极化调控类二极管的单向电流; 铁电极化调制光伏效应甚至非线性光学系数; 铁电极化诱导半导体耗尽层等。上述这些复杂的实验现象,可以总结为“铁电极化—电子稳态输运”耦合效应。这类现象比较复杂,也尚未有丰富的实验数据可供参考,因此当前的认识还比较模糊。总之,进一步探索新材料、新体系和深化相关物理机制的研究,将有助于人们把对“铁电极化—电子稳态输运”耦合的理解推进到更深更广的层次。

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