铁电隧道结的研究进展

万方数据

铁电隧道结的研究进展／潘瑞琨等１１

Ｄ（Ｅｓ）＝ｅｘｐ｛一％≠等（ｚ＋警）（，＋／ｘｓｓ警）耽×［（Ｅ０＋胸警一易）耽一（ｐ∥＋耽警一易）班］）进而计算出隧穿电流密度，即口’１６］：

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Ｊ一警｛ｅＶＪＤ（Ｅｓ）ｄＥｓ＋Ｉ（Ｅｒ～Ｅ３）Ｄ（Ｅｓ）ｄＥｓ）

Ｅ■Ⅳ

当施加的电场电压Ｖ小于矫顽电压Ｖｃ（Ｖｃ—Ｅｏｔ。）时，ｄ。。＜Ｏ，自发极化Ｐ与外场反向。当Ｖ＞Ｖｃ时，发生极化反转，ｄ。。＞０，则伴随着铁电薄膜厚度与应变的突增，因此铁电薄膜中应变随电压的变化出现类似于电滞回线的“蝶形回线”（如图２所示）。最终隧穿电流与电压的关系曲线也是回线形状，如图３所示。

图１ＦｒＪ的能带结构示意图［１】

Ｆｉｇ．１ＥｎｅｒｇｙｂａｎｄｄｉａｇｒａｍｏｆａＦｒＪ［１］

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图２阳口中晶格应变随电压的变化［１３

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０１１ｔｈｅａｐｐｌｉｅｄｖｏｌｔａｇｅＬｌ］

然而ＦｒＪ中的电子隧穿到底是非弹性隧穿还是直接隧穿尚未定论［７“７｜。Ｋｏｈｌｓｔｅｄｔ等的实验表明，铁电隧道结在４．２～３００Ｋ内以非弹性隧穿理论模型模拟的结果更接近实验数据，因此他们认为，非弹性隧穿是电输运的主要机制［１引。Ｖｅｌｅｖ等的理论模拟表明，势垒层的铁电性及电极层的磁性极大地影响了电子输运过程［１８－２０］，但是还没有相应的实验验证。关于铁电隧道结中电阻反转的起源问题，文献［＇１７３认为与铁电体的极化反转有关，文献［２１－１指出，相关的验证实验均在铁电体的相变温度以上进行，不能定论。文献Ｅ２２３认为可视隧道结中间势垒层的铁电薄膜为绝缘体，而更多的人则认为应是半导体。吕惠宾等的研究表明，掺Ｔｅ的ＬａＭｎＯｓ和掺Ｎｄ的ＳｒＴｉ０３异质结超薄膜具有半导体特性［２３｜。此外，铁电隧道结还显示了其它丰富的新物性：界面电阻可调的准二维电子气‘２４’２５］，界面增强的热释电效应和压电效应等［２６’２…。对这些新物性的研究目前还处于起步阶段。

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Ｖｏｈａｇｅ／Ｖ

图３逆压电效应对电流一电压曲线的影响‘１３Ｆｉｇ．３Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｃｏｎｖｅｒｓｅｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｆｆｅｃｔｏｎ

ｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔ－ｖｏｌｔａｇｅｔｌ］

２隧道结的势垒层和电极材料

铁电势垒层材料可以是铁电氧化物，如钛酸铅（Ｐｂ－ＴｉＯｓ）、锆钛酸铅（Ｐｂ（Ｔｉ，Ｚｒ）０３）、锆钛酸铅镧（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏｓ）、钛酸钡（ＢａＴｉＯｓ）或有机聚合物铁电材料等，也可以是电极材料，如钌酸锶（ＳｒＲｕＯｓ）、钴酸锶镧（（Ｌａ，Ｓｒ）一ＣｏＯ。）、金属铂（Ｐｔ）或金（Ａｕ）等。删的下电极材料一般采用ＳｒＲｕＯｓ、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯｓ等金属氧化物，既易于导电，又能与铁电势垒层材料很好地匹配，使势垒层生长晶化较好；上电极材料可以是金属或金属氧化物。陈红卫等采用射频磁控溅射法制备了Ｓｉ＿ＩＴ◇Ｕ汇一ＰｂＳｒＴｉ０。一Ａｕ隧道结，当外加电压为０～１Ｖ时，出现的隧穿电流曲线符合指数规律［２引。钴酸锶镧（Ｉ曳）薄膜作为下电极材料，可以很好地与铁电材料钛酸锶铅（ＰｂＳｒＴｉＯｓ）匹配，但电阻较大。采用钴酸锶镧和导电玻璃（ＩＴ０）构成的复合电极可起到降低电阻的作用。

隧道结的势垒层和电极材料不同，会影响铁电层的铁电稳定性，因此既要保证铁电势垒层足够薄以实现电子隧穿，又要保持其铁电性。研究者们比较了许多铁电材料和金属（金属氧化物）分别作为铁电势垒层和电极时保持铁电性的问题。

已经有较多文献研究了ＦｒＪ中隧穿电流和铁电性保持的问题［２９－３１］。１９９８年Ｗａｔａｎａｂｅ在研究不同势垒层材料的全钙钛矿型氧化物电极／势垒层异质结５种样品时指出，只在全钙钛矿型氧化物铁电异质结Ｐｂ（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏｓ／ＳｒＴｉ０３

Ｎｂ和（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏｓ／ＳｒＴｉＯｓＮｂ中发现隧穿现象Ｅ３１３。Ｚｅｍｂｉｌｇｏｔｏｖ等采用朗道平均场理论研究了ＳｒＲｕＯｓ／ＰｂＴｉＯｓ（ＢａＴｉＯｓ）／ＳｒＲｕ０３以及ＢａＴｉ０３／ＳｒＴｉ０３／ｓｒＲｕ０３结构的外延铁电薄膜，其自发极化受到薄膜厚度、温度及应力失配等因素的影响，在薄膜厚度小于１ｒｉｍ后平均自发极化才会急剧减小［３］。Ｊｕｎｑｕｅｒａ等指出ＳｒＲｕＯｓ／ＢａＴｉＯｓ／ＳｒＲｕＯｓ结构中的铁电薄膜厚度在小于２．４ｎｍ时才会失去铁电

性Ｅ１２］。Ｇｅｒｒａ等采用第一性原理计算表明，ＳｒＲｕＯｓ／ＢａＴｉ０３／万方数据

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铁电隧道结的研究进展

作者：潘瑞琨， 章天金， 杨凤霞， 马志军， 何苗， PAN Ruikun， ZHANG Tianjin， YANG Fengxia， MA Zhijun， HE Miao

作者单位：潘瑞琨,章天金,马志军,何苗,PAN Ruikun,ZHANG Tianjin,MA Zhijun,HE Miao(湖北大学材料科学与工程学院,武汉,430062)， 杨凤霞,YANG Fengxia(华中科技大学物理系,武汉

,430074)

刊名：

材料导报

英文刊名：MATERIALS REVIEW

年，卷(期)：2010,24(13)

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