铁电隧道结界面效应与界面调控
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铁 电隧道结 的一个 重要 特性 就是 电致 电阻效 应 （ Ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ｉ ｎ ｇ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ简称 Ｔ Ｅ Ｒ） 。研究 发现 ， 在 金
第 ３ ４卷 第 １期
２ ０ １ ７年 ３ 月
苏 州 科 技 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｓ ｕ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ（ Ｎａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ）
隧道 结 的探究 。铁 电隧道 结具 有超 快数 据访 问 、 非 破坏 性读 出 ， 同时具 有高 存储 密度 、 低能 耗 等优点 ， 使 得器
件小 型化 ， 因而被认 为有 望打 破传 统存储 器局 限 。 ２ ０ １ ５年 ９月美 国 Ｔ ｓ ｙ ｍ ｂ ａ ｌ 研究 组［ １ ２ 】 通过 实验 测量 和理论 分 析证 实 ， 在 室 温下 以 Ｓ ｒ Ｒ ｕ Ｏ 。 为衬 底 的超 薄 Ｓ ｒ Ｔ ｉ Ｏ ， 中出 现 了铁 电性 ， 而体 Ｓ ｒ Ｔ ｉ Ｏ 材料 室 温 下 是顺 电体 ， 即非 铁 电性 的。 他 们发 现 Ｓ ｒ Ｔ ｉ Ｏ 薄膜制 备过 程 中如果 通过 Ｓ ｒ 取代 Ｔ ｉ 原子 ， 由于 表面 吸附 电荷 的作用 或者 受 到与 它接触 的金 属 电极 的屏蔽 作用 会在取 代处 形成 极性 微 区 。这 些极 性微 区 随着 Ｓ ｒ Ｔ ｉ Ｏ 薄膜厚 度 的降低 会对 外 显 示 出铁 电性 ， 因而颠 覆 了传统 的观 点 ， 在实验 上得 到 了薄膜 越薄 ， 铁 电性会 越强 ， 为 制备 室温 下 的超 薄铁 电 薄膜提 供 了一个 新 的技术 方 向 。 。
１ 铁 电 隧道 结
四十多 年前 ． Ｅ ｓ ａ ｋ ｉ 深入 研究 了电子 隧穿 现象 。并 制成 了 Ｅ ｓ ａ ｋ ｉ 二极 管 。由于 观察 到半 导体 中的隧 穿效 应， 于 １ ９ ７ ３年获诺 贝 尔物理 学奖 。１ ９ ７ １ 年， 他 设想 用 铁 电材料 作 为 中间势 垒层 ， 制 成新 的 隧道 结 ， 并 定 义 为 极 化开 关【 ” ， 这被 认为 是铁 电隧 道结最 初原 型 。１ ９ ７ ２年 ， Ｂ ａ ｔ ｒ ａ等［ ２ １ 提 出铁 电薄膜 由于 受到退 极 化场 的影 响 ， 电 极 中 电子部 分补 偿 了铁 电体 中的束缚 电荷 ． 其 中电极 的屏 蔽 长度决 定 了对 极化 补偿 程度 。对 纳米 尺 寸 的薄
Ｖｏ １ ． ３ ４ Ｎｏ． １
Ｍａ ｒ ．２ ０１ ７
铁 电隧道结界面效应与界面调控
吴银 忠 ，王 品之 ，荀 威
（ 苏州科技大ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 数理学 院， 江苏 苏 州 ２ １ ５ ０ ０ ９ ）
摘
要 ：纳米 铁 电容 器 结 构 称 为 铁 电 隧道 结 ， 可 以利 用铁 电垒 极 化 方 向 的 不 同 而 导致 器 件 阻 态 差 异 作 为 记 录 信 息 的
阻效 应 的研 究 进 展 ， 未涉及隧道结（ 主 要 指 多 铁 隧 道结 ） 的磁结构 、 磁 输 运 和 磁 电效 应 。 关键 词 ： 铁 电 隧道 结 ： 电致 电 阻效 应 ； 界 面效 应 ； 界 面 调控
中 图分 类 号 ： ０ ４ ６ ９ 文 献 标 志码 ： Ａ 文章编号 ： ２ ０ ９ ６ — ３ ２ ８ ９ （ ２ ０ １ ７ ） ０ １ — ０ ０ ４ ９ 一 Ｏ ６
近 年来 ， 随着 纳米 薄膜 制备 技术 的迅 速发展 ， 铁 电功 能材料 研究 与器 件设 计 引起 了人们 的兴趣 。笔者 侧 重 于介 绍铁 电隧道 结 在实 验和 理论 方 面取得 的新 进 展 ， 并 穿 插介 绍 了课题 组 在铁 电隧道结 界 面 效应 和 界 面 调 控理 论研 究方 面开 展 的工作 。主要 分三 个部 分进 行 阐述和讨 论 ， 第一部 分介 绍铁 电隧道结 的发 展 ， 以及 目 前 实验 方面 的进 展情 况 ； 第 二部 分介 绍 了铁 电隧道结 中的界面起 源 以及对 器 件性 能的影 响 ； 第 三 部分重 点 阐 述 如何 通过 界 面调控 手段来 提 升和改 善纳 米铁 电器 件 的性能 。
物理 载体 ， 电 极 和 势垒 之 间 的界 面 是 必 然存 在 ． 且 会 对 器 件 性 能 产 生 重 要 影 响 。综 述 了实 验 和 理 论 方 面对 铁 电 隧道
结 界 面效 应 和 界 面 调 控 的 研究 进 展 ， 同 时 也介 绍 了论 文 课 题 组 开展 的相 关 研 究 工 作 。 侧 重 于 介 绍 铁 电 隧道 结 电致 电
膜 而言 ， 退 极 化场使 得 薄膜铁 电性 消失 ， 因此 ， 铁 电薄膜 存在 一个 临界 厚度 。 由此可 见 ， 制 备纳 米尺 寸 的铁 电
薄膜 是制 备铁 电隧道结 技术 上 的瓶颈 。早期 由于技术 局 限 ， 很难 制备 出高 性能 超薄 铁 电薄膜 ， 因此 ， “ 界 面死
层” 、 “ 尺 寸效 应 ” 等 概念 被提 出【 ， 铁 电 隧道结 的研 究一直 很缓 慢 。 ２ ０ ０ ５年 Ｋ ｏ ｈ ｌ ｓ ｔ ｅ ｄ ｔ 等正式 提 出 了铁 电隧道结 （ Ｆ ｅ ｒ ｒ ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ Ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ Ｊ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ简称 踟 ） 概念 嘲 ， 即铁 电隧 道结 是一 种两 边为 电极 ， 中间夹持 铁 电超 薄膜 的纳 米 电容器 。 由于近 年来 铁 电薄 膜 已经被 实 验和 理论 ［ ６ － 证 明在 纳米 尺寸 下仍 具有 良好 的铁 电性 ． 由此再 次 引起研 究铁 电材 料在 纳米 电子 学领域 应用 的热 潮 ， 特别 是对 铁 电
第 ３ ４卷 第 １期
２ ０ １ ７年 ３ 月
苏 州 科 技 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｓ ｕ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ（ Ｎａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ）
隧道 结 的探究 。铁 电隧道 结具 有超 快数 据访 问 、 非 破坏 性读 出 ， 同时具 有高 存储 密度 、 低能 耗 等优点 ， 使 得器
件小 型化 ， 因而被认 为有 望打 破传 统存储 器局 限 。 ２ ０ １ ５年 ９月美 国 Ｔ ｓ ｙ ｍ ｂ ａ ｌ 研究 组［ １ ２ 】 通过 实验 测量 和理论 分 析证 实 ， 在 室 温下 以 Ｓ ｒ Ｒ ｕ Ｏ 。 为衬 底 的超 薄 Ｓ ｒ Ｔ ｉ Ｏ ， 中出 现 了铁 电性 ， 而体 Ｓ ｒ Ｔ ｉ Ｏ 材料 室 温 下 是顺 电体 ， 即非 铁 电性 的。 他 们发 现 Ｓ ｒ Ｔ ｉ Ｏ 薄膜制 备过 程 中如果 通过 Ｓ ｒ 取代 Ｔ ｉ 原子 ， 由于 表面 吸附 电荷 的作用 或者 受 到与 它接触 的金 属 电极 的屏蔽 作用 会在取 代处 形成 极性 微 区 。这 些极 性微 区 随着 Ｓ ｒ Ｔ ｉ Ｏ 薄膜厚 度 的降低 会对 外 显 示 出铁 电性 ， 因而颠 覆 了传统 的观 点 ， 在实验 上得 到 了薄膜 越薄 ， 铁 电性会 越强 ， 为 制备 室温 下 的超 薄铁 电 薄膜提 供 了一个 新 的技术 方 向 。 。
１ 铁 电 隧道 结
四十多 年前 ． Ｅ ｓ ａ ｋ ｉ 深入 研究 了电子 隧穿 现象 。并 制成 了 Ｅ ｓ ａ ｋ ｉ 二极 管 。由于 观察 到半 导体 中的隧 穿效 应， 于 １ ９ ７ ３年获诺 贝 尔物理 学奖 。１ ９ ７ １ 年， 他 设想 用 铁 电材料 作 为 中间势 垒层 ， 制 成新 的 隧道 结 ， 并 定 义 为 极 化开 关【 ” ， 这被 认为 是铁 电隧 道结最 初原 型 。１ ９ ７ ２年 ， Ｂ ａ ｔ ｒ ａ等［ ２ １ 提 出铁 电薄膜 由于 受到退 极 化场 的影 响 ， 电 极 中 电子部 分补 偿 了铁 电体 中的束缚 电荷 ． 其 中电极 的屏 蔽 长度决 定 了对 极化 补偿 程度 。对 纳米 尺 寸 的薄
Ｖｏ １ ． ３ ４ Ｎｏ． １
Ｍａ ｒ ．２ ０１ ７
铁 电隧道结界面效应与界面调控
吴银 忠 ，王 品之 ，荀 威
（ 苏州科技大ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 数理学 院， 江苏 苏 州 ２ １ ５ ０ ０ ９ ）
摘
要 ：纳米 铁 电容 器 结 构 称 为 铁 电 隧道 结 ， 可 以利 用铁 电垒 极 化 方 向 的 不 同 而 导致 器 件 阻 态 差 异 作 为 记 录 信 息 的
阻效 应 的研 究 进 展 ， 未涉及隧道结（ 主 要 指 多 铁 隧 道结 ） 的磁结构 、 磁 输 运 和 磁 电效 应 。 关键 词 ： 铁 电 隧道 结 ： 电致 电 阻效 应 ； 界 面效 应 ； 界 面 调控
中 图分 类 号 ： ０ ４ ６ ９ 文 献 标 志码 ： Ａ 文章编号 ： ２ ０ ９ ６ — ３ ２ ８ ９ （ ２ ０ １ ７ ） ０ １ — ０ ０ ４ ９ 一 Ｏ ６
近 年来 ， 随着 纳米 薄膜 制备 技术 的迅 速发展 ， 铁 电功 能材料 研究 与器 件设 计 引起 了人们 的兴趣 。笔者 侧 重 于介 绍铁 电隧道 结 在实 验和 理论 方 面取得 的新 进 展 ， 并 穿 插介 绍 了课题 组 在铁 电隧道结 界 面 效应 和 界 面 调 控理 论研 究方 面开 展 的工作 。主要 分三 个部 分进 行 阐述和讨 论 ， 第一部 分介 绍铁 电隧道结 的发 展 ， 以及 目 前 实验 方面 的进 展情 况 ； 第 二部 分介 绍 了铁 电隧道结 中的界面起 源 以及对 器 件性 能的影 响 ； 第 三 部分重 点 阐 述 如何 通过 界 面调控 手段来 提 升和改 善纳 米铁 电器 件 的性能 。
物理 载体 ， 电 极 和 势垒 之 间 的界 面 是 必 然存 在 ． 且 会 对 器 件 性 能 产 生 重 要 影 响 。综 述 了实 验 和 理 论 方 面对 铁 电 隧道
结 界 面效 应 和 界 面 调 控 的 研究 进 展 ， 同 时 也介 绍 了论 文 课 题 组 开展 的相 关 研 究 工 作 。 侧 重 于 介 绍 铁 电 隧道 结 电致 电
膜 而言 ， 退 极 化场使 得 薄膜铁 电性 消失 ， 因此 ， 铁 电薄膜 存在 一个 临界 厚度 。 由此可 见 ， 制 备纳 米尺 寸 的铁 电
薄膜 是制 备铁 电隧道结 技术 上 的瓶颈 。早期 由于技术 局 限 ， 很难 制备 出高 性能 超薄 铁 电薄膜 ， 因此 ， “ 界 面死
层” 、 “ 尺 寸效 应 ” 等 概念 被提 出【 ， 铁 电 隧道结 的研 究一直 很缓 慢 。 ２ ０ ０ ５年 Ｋ ｏ ｈ ｌ ｓ ｔ ｅ ｄ ｔ 等正式 提 出 了铁 电隧道结 （ Ｆ ｅ ｒ ｒ ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ Ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ Ｊ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ简称 踟 ） 概念 嘲 ， 即铁 电隧 道结 是一 种两 边为 电极 ， 中间夹持 铁 电超 薄膜 的纳 米 电容器 。 由于近 年来 铁 电薄 膜 已经被 实 验和 理论 ［ ６ － 证 明在 纳米 尺寸 下仍 具有 良好 的铁 电性 ． 由此再 次 引起研 究铁 电材 料在 纳米 电子 学领域 应用 的热 潮 ， 特别 是对 铁 电