Nature Materials：基于可變高導電性疇壁形成的無損鐵電存儲器

【引言】

在絕緣鐵電材料中，可擦除的導電疇壁可以用于無破壞讀寫鐵電存儲器。然而，在這種器件中，疇壁電流密度還達不所需的強度及相應的穩定狀態，所以不能滿足具有高速讀寫速度集成電路的需求。因此，如何克服這一困難成為制約其應用的最主要原因。

【成果簡介】

近日，上海復旦大學江安全教授課題組利用外延的BiFeO₃薄膜實現了無破壞的數字信號讀取存儲。在器件讀取的過程中，當施加讀取電壓時會在疇壁處形成導電疇，而當電壓撤去時，導電疇又會自發地立即消失。在5 V的電壓下，三端存儲器件的讀取電流可達14 nA，在溫度高達85℃時，仍具有很好的穩定性。另外，器件溝道的長度可以小于材料的厚度，為實現尺寸小于100 nm的鐵電存儲器件提供了可能。該研究成果以題為“Temporary formation of highly conducting domain walls for non-destructive read-out of ferroelectric domain-wall resistance switching memories”發布在Nature Materials上。

【圖文導讀】

圖1：帶電疇壁的制備

（a）（001）STO襯底上35 nm厚的（001）_PC BFO薄膜在電壓2.5V，溝道長寬都為50 nm的情況下水平電場的模擬。

（b）在[001] STO襯底上外延生長的的BFO薄膜的AFM圖和對應的相圖。

圖2：35 nm厚納米器件的開態電流

（a）-（d）對應寬度為52 nm，長度分別為63 nm，97 nm，136 nm，174 nm納米溝道的SEM圖。

（e）-（h）面內PFM相圖。沿電場方向正疇（e，h中灰色部分）和負疇（f，g中白色部分）。

（i）-（l）在正/負閾范圍內，隨E、P方向的變化及電壓掃描方向的不同，對應I-V曲線的變化

圖3：35 nm厚納米器件疇的轉換

（a）圖2（i）曲線的100次循環。

（b），（c）分別為在4 V電壓溝道寬度為50 nm的情況下矯頑電壓和開態電流隨溝道長度變化的關系。

（d）根據圖中箭頭所示的電壓掃描方向I-V曲線的回滯。

（e）對于施加不同轉換電壓情況下，轉變時間依賴于讀取電流的大小。

（f）耐久性測試結果，器件的溝道寬和長分別為51 nm和125 nm。

圖4：厚度為120 nm的器件的壁電流以及利用掃描探針技術得到的直接證據

（a）溝道寬度為44 nm時不同溝道長度器件的I-V曲線，右圖表示隨溝道長度改變矯頑電壓和電流的變化。

（b）經過施加10 s的-18 V后兩個具有71°夾角疇的面內PFM。

（c）TE1和針尖之間電場為-140 kV/cm，TE2和針尖同時接地時CAFM電流圖。

圖5：三端BFO存儲器件的讀寫方案

（a），（b）左圖分別為讀寫電壓和情況下存儲單元的工作原理圖。中間兩個圖分別為不同溝道長度下的I-V回掃曲線。右側圖為器件開、關情況下的保持特性。

（c）左圖為“讀”狀態下（b）器件的平面SEM圖。中間和右側圖分別為沿不同方向面內PFM相圖掃描時疇具有不同的變形。

【小結】

由于施加電壓時沿鐵電材料BFO表面的面內讀寫電流發生了一定程度的變化，從而實現了具有穩定、可重復功能的存儲器件。只有在施加電壓的情況下導電疇壁才能形成，從而實現了器件的開關特性。這種具有良好性能的存儲器件可以廣泛應用于照明、各向異性磁阻、光伏電流探測等方面。

文獻鏈接：Temporary formation of highly conducting domain walls for non-destructive read-out of ferroelectric domain-wall resistance switching memories (Nat. Mater., 2017, DOI: 10.1038/nmat5028)

本文由材料人編輯部新人組趙靜編譯，趙飛龍審核，點我加入材料人編輯部。?

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