鐵電憶阻器以電阻的形式存儲信息，其電阻與鐵電疇結構密切關聯，并可通過電壓在亞納秒時間尺度上進行調控，寫入功耗低，在下一代非易失性存儲技術中具有獨特優勢。器件性能（包括開關比、讀寫速度、數據存儲容量等）與鐵電疇結構及其翻轉動力學密切相關。前期研究主要關注鐵電極化翻轉過程對阻變行為的影響，鮮有研究鐵電自極化（鐵電薄膜自發形成的特定鐵電疇結構）對鐵電阻變性能的影響。如何精準調控鐵電自極化并揭示其與阻變器件性能的關聯，對提升鐵電阻變器件的性能具有重要意義。
圍繞這一目標，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心功能材料與器件研究部胡衛進研究員、黃彪宏博士生、張志東研究員等與國內外多家單位合作，提出利用金屬/鐵電界面肖特基勢壘調控鐵電自極化的新機制，并實現了SrRuO3/(Sm,Bi)FeO3/Pt鐵電二極管開關比等阻變性能的顯著提升。研究發現，稀土Sm摻雜可有效調控鐵酸鉍薄膜氧空位濃度和分布，從而改變SrRuO3/BIFeO3界面肖特基勢壘和退極化場強度。兩者相互競爭導致鐵電自極化從鐵電單疇向多疇演變，疇尺寸顯著變小至幾十納米。伴隨鐵電疇結構的轉變，對應鐵電二極管的阻變行為從單向阻變演變成雙向阻變，可通過自極化有效調控其阻變對稱性。具有鐵電自極化單疇的鐵酸鉍鐵電二極管擁有高達106的巨大開關比，比傳統器件高出2個量級。該巨大開關比可以歸結為鐵電自極化、鐵電極化翻轉及其誘導的氧空位的遷移等對鐵電二極管器件能帶結構的綜合調控。此外，該類器件電阻態的轉換符合鐵電極化翻轉的Merz定律。隨Sm摻雜濃度提高，其阻變轉換的激活能從0.28 GV/m降至0.12 GV/m；阻變翻轉速度從30 ns降低至設備極限6.25 ns，并展現出亞納秒的寫入潛力。該類器件也具有極低寫入功耗，每存儲單元寫入功耗僅為5.3 飛焦，可以和先進的阻變存儲、磁隨機存儲、相變存儲器件等相媲美。相關結果以“Schottky Barrier Control of Self-Polarization for a Colossal Ferroelectric Resistive Switching”為題, 于6月27日發表在《美國化學學會納米》(ACS Nano) 期刊上。
這是繼該團隊在鐵電二極管中發現多級電流跳躍現象 (Advanced Electronic Materials, 8, 2101059, 2022) 之后，利用鐵電疇調控鐵電存儲器件性能的又一突破。該研究工作得到了國家自然科學基金重點項目、面上項目、科技部重點研發計劃、沈陽材料科學國家研究中心以及上海同步輻射光源的支持。
圖1. 鐵電疇的調控方式。（a）電極電荷屏蔽效應；（b）截止面的電荷失配效應；（c）缺陷偶極子與鐵電極化的靜電耦合效應；（d）撓曲電效應；（e）本工作提出的金屬/鐵電異質界面肖特基勢壘效應。
圖2. SrRuO3/(Bi,Sm)FeO3薄膜的自極化鐵電疇表征。（a），（d），（g）壓電力顯微鏡的相位圖；（b），（e），（h）單點壓電回線及矯頑電壓統計圖；（c），（f），（i）SrRuO3/(Bi,Sm)FeO3界面的高角度環形暗場像。
圖3. SrRuO3/(Bi,Sm)FeO3界面肖特基勢壘。（a）Sm摻雜調控界面勢壘（左軸）及BiFeO3中氧空位形成能（右軸）；（b）(Bi,Sm)FeO3薄膜的吸光系數和光學帶隙；（c）(Bi,Sm)FeO3薄膜的光電流；（d）Sm摻雜調控BiFeO3費米能級示意圖。
圖4. 不同薄膜厚度下氧空位的濃度與分布。（a）BiFeO3，（b）Sm0.05Bi0.95FeO3和（c）Sm0.1Bi0.9FeO3的X射線光電子能譜；（d）不同Sm摻雜BiFeO3薄膜的Fe2+/Fe3+濃度比值（左軸）及氧空位濃度BiFeO3- 值（右軸）；（e）BiFeO3的X射線吸收譜。
圖5. (Bi,Sm)FeO3薄膜鐵電自極化的調控機制。界面肖特基勢壘和退極化場的相互競爭導致鐵電多疇的形成。兩者均與氧空位濃度及其分布密切相關。
圖6. SrRuO3/(Bi,Sm)FeO3/Pt憶阻器的阻變翻轉行為。（a-c）I-V曲線；（d-f）BiFeO3二極管在初始態、極化向下態，極化向上態的能帶結構示意圖；（g）BiFeO3二極管在78 K下的I-V回線（左軸）及相應的P-V回線（右軸）；（h）電極化對BiFeO3二極管I-V阻變行為的影響；（i）不同電壓掃描過程對I-V阻變行為的影響；（j）SrRuO3/(Bi,Sm)FeO3/Pt器件的開關比；（k）各類鐵電二極管的開關比。
圖7. SrRuO3/(Bi,Sm)FeO3/Pt憶阻器的器件性能。（a-c）阻變記憶回線；（d-f）電阻保持性能；（g-i）電阻疲勞性能；（j-l）阻變翻轉動力學。
