近日，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心材料顯微科學(xué)研究部陳春林研究員團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)出一種由鐵電層/導(dǎo)電層/鐵電層構(gòu)成的三明治型鐵電閥結(jié)構(gòu)，并系統(tǒng)研究了其在鐵電層極化平行與反平行兩種構(gòu)型下的原子尺度界面結(jié)構(gòu)、局域電子結(jié)構(gòu)及電阻態(tài)特性。相關(guān)研究成果以“Design of Ferroelectric Valve: A Spin-Valve-Analogous Structure for Modulating Electrical Resistance”為題發(fā)表于Advanced Materials雜志上。金屬所喬貝貝博士、孫子益(23級(jí)博士研究生)及張盛(25級(jí)博士研究生)為論文共同第一作者，陳春林研究員、姚婷婷研究員及江亦瀟副研究員為論文共同通訊作者。
研究團(tuán)隊(duì)采用脈沖激光沉積技術(shù)成功構(gòu)筑了LaTiO3.5/m-LaTiO3/LaTiO3.5多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)鐵電閥，其中中間導(dǎo)電層m-LaTiO3的厚度精準(zhǔn)調(diào)控在3至6個(gè)原子層范圍內(nèi)。結(jié)合像差校正掃描透射電子顯微學(xué)表征與第一性原理計(jì)算的協(xié)同分析，研究人員系統(tǒng)揭示了該鐵電閥在平行與反平行極化構(gòu)型下的界面原子排列、極化耦合機(jī)制及能帶演化規(guī)律。結(jié)果表明：在反平行極化構(gòu)型下，導(dǎo)電層帶隙顯著減小，載流子濃度明顯升高，器件整體導(dǎo)電能力顯著優(yōu)于平行極化構(gòu)型。同時(shí)，反平行極化誘導(dǎo)的界面電荷重分布與軌道雜化效應(yīng)導(dǎo)致LaTiO3層中Ti原子的3d t2g軌道退簡(jiǎn)并，進(jìn)而引發(fā)顯著的面內(nèi)電導(dǎo)各向異性。增大中間導(dǎo)電層厚度，可有效提升器件整體電導(dǎo)率。通過外場(chǎng)調(diào)控兩側(cè)鐵電層的極化取向，可靈活切換中心LaTiO3層的電阻狀態(tài)及其導(dǎo)電易軸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)器件電阻的非易失性、多態(tài)調(diào)控。
本工作首次提出“鐵電閥”的概念，并在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了該類異質(zhì)結(jié)構(gòu)的可控構(gòu)筑，闡明了其基于極化構(gòu)型依賴的界面電子重構(gòu)所驅(qū)動(dòng)的電阻調(diào)制物理機(jī)制，為新型鐵電功能器件的設(shè)計(jì)、優(yōu)化與集成提供了堅(jiān)實(shí)的材料平臺(tái)與理論依據(jù)。尤為值得關(guān)注的是，LaTiO3.5具有超過1500K的居里溫度，且與LaTiO3之間具備優(yōu)異的晶格匹配性與外延兼容性，所構(gòu)建的異質(zhì)結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出優(yōu)異的晶體完整性、原子級(jí)平整的界面質(zhì)量以及出色的高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，有望應(yīng)用于高溫電子器件等嚴(yán)苛應(yīng)用場(chǎng)景。作為一項(xiàng)原創(chuàng)性器件概念，“鐵電閥”為后摩爾時(shí)代多功能、低功耗信息器件的發(fā)展開辟了全新技術(shù)路徑。
此外，課題組前期在該類異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的研究表明，通過元素?fù)诫s可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電類型(n型至p型)的連續(xù)調(diào)控，為進(jìn)一步拓展器件電學(xué)性能的可編程性與功能多樣性提供了更廣闊的前景。相關(guān)研究結(jié)果以“Strain-Induced Gradient Distribution of Dopants at a Perovskite Interface”為題發(fā)表于Nano letters雜志上并入選了扉頁論文。
本研究獲得國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目及廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目等多項(xiàng)資助。
