鐵電阻變材料的應用與發展前景

　　不同于鐵電材料在極化翻轉過程中產生的瞬態電流，鐵電極化調制鐵電材料內部電阻在 2009 年以前鮮有報道，尚未有成熟的理論。傳統意義上，當鐵電材料的電阻值在絕緣體范圍，鐵電極化能夠被翻轉，同時伴隨較大的瞬態極化電流，但是穿過鐵電材料自身的穩態電流(比如漏電流) 微弱，此時無需考慮鐵電極化與鐵電材料自身穩態電流的耦合關系。當鐵電材料的電阻值較小時，鐵電極化難以翻轉，即難以觀測到鐵電極化翻轉與鐵電材料自身穩態電流的耦合現象。2000 年前后 Julian 等人提出，如果鐵電薄膜尺度在 5 nm 以下，電子可以在小于鐵電矯頑場的電場作用下隧穿鐵電薄膜，樣品的電阻值較小，鐵電薄膜的極化翻轉將影響電子隧穿勢能和隧穿電流。理論上，電子隧穿幾率隨鐵電薄膜厚度的增加而指數降低，所以隧穿理論無法解釋鐵電極化如何調控 10 nm 以上厚度鐵電樣品的穩態電流。2009 年以來，鐵電極化調控鐵電材料自身電阻有重大突破，揭開了這一領域快速發展的序幕。美國 Rut- gers University 大學的 Choi 制備了 70 μm，單一鐵電疇，具有半導體特征的 BiFeO3 單晶，他們發現電流 - 電場曲線具有單向電流特征，樣品在光輻射條件下產生光伏電流，并且極化翻轉可以調控單向電流和光伏效應(圖 6)。法國 CNRS 實驗室的 Garcia 等發現，納米級厚度的 BaTiO3 外延薄膜具有良好的鐵電性，電子能夠量子隧穿鐵電薄膜，而且鐵電薄膜的極化翻轉引起隧穿勢壘的變化，從而導致鐵電薄膜極化翻轉前后穿過鐵電薄膜的隧穿電流劇烈變化，比如，在 3 nm 的 BaTiO3鐵電薄膜中，鐵電極化翻轉可以導致薄膜的電阻變化750 倍(圖 7)。進一步的研究發現在 2 nm-Fe /1 nm- BaTiO3 /30 nm-La0. 67 Sr0. 33MnO3 的“三明治”隧道磁電阻結構中，隧穿電流同時受到磁矩和鐵電極化翻轉的雙重調控(圖 8)。美國 Oak Ridge 實驗室 Peter 等發現，在 30 ～ 50 nm Pb ( Zr0. 2 Ti0. 8 ) O3，100 ～ 120 nm 的 (Bi0. 875Ca0. 125 )FeO3薄膜中，鐵電極化翻轉導致樣品的阻值變化高達 500 倍，電流 - 電場曲線具有記憶功能和單向電流特征。加州伯克利的 Ramesh 等人發現 Bi1 - x CaxFeO3 外延薄膜中氧空位是 N 型摻雜，Ca 是 P 型摻雜，Bi0. 875Ca0. 125FeO3 外延薄膜中可以同時存在 N 型、P型和 P-N 結，鐵電極化過程中容易引起氧空位遷徙，從而調控 P-N 結和其電流特征。不同于鐵電場效應管(通過鐵電極化翻轉引起 Si 溝道內的載流子濃度和電阻變化)，鐵電極化翻轉改變其自身的穩態電流和電阻，目前尚不清楚鐵電極化翻轉如何調制材料自身的能帶帶隙、隧穿勢壘、載流子、耗盡層等。先前的理論，無法解釋上述論文報道的復雜多變的實驗現象，相關作者也只是羅列了幾種可能的解釋。
 

　　雖然上述半導體二極管調制、光伏電流調制、電致電阻調制、隧道磁電阻調制等現象復雜多變、牽涉多種材料和異質結，但都是通過鐵電極化翻轉調控穿過鐵電層自身的電子穩態輸運過程，因此都屬于“鐵電極化—電子穩態輸運”耦合范疇。
 

　　通過鐵電極化調控電阻和磁電阻等電子的輸運過程涉及多個領域: 納米級鐵電薄膜中電子的量子隧穿; 鐵電極化調控類二極管的單向電流; 鐵電極化調制光伏效應甚至非線性光學系數; 鐵電極化誘導半導體耗盡層等。上述這些復雜的實驗現象，可以總結為“鐵電極化—電子穩態輸運”耦合效應。這類現象比較復雜，也尚未有豐富的實驗數據可供參考，因此當前的認識還比較模糊。總之，進一步探索新材料、新體系和深化相關物理機制的研究，將有助于人們把對“鐵電極化—電子穩態輸運”耦合的理解推進到更深更廣的層次。
 

　　不同于鐵電材料在極化翻轉過程中產生的瞬態電流，鐵電極化調制鐵電材料內部電阻在 2009 年以前鮮有報道，尚未有成熟的理論。傳統意義上，當鐵電材料的電阻值在絕緣體范圍，鐵電極化能夠被翻轉，同時伴隨較大的瞬態極化電流，但是穿過鐵電材料自身的穩態電流(比如漏電流) 微弱，此時無需考慮鐵電極化與鐵電材料自身穩態電流的耦合關系。當鐵電材料的電阻值較小時，鐵電極化難以翻轉，即難以觀測到鐵電極化翻轉與鐵電材料自身穩態電流的耦合現象。2000 年前后 Julian 等人提出，如果鐵電薄膜尺度在 5 nm 以下，電子可以在小于鐵電矯頑場的電場作用下隧穿鐵電薄膜，樣品的電阻值較小，鐵電薄膜的極化翻轉將影響電子隧穿勢能和隧穿電流。理論上，電子隧穿幾率隨鐵電薄膜厚度的增加而指數降低，所以隧穿理論無法解釋鐵電極化如何調控 10 nm 以上厚度鐵電樣品的穩態電流。2009 年以來，鐵電極化調控鐵電材料自身電阻有重大突破，揭開了這一領域快速發展的序幕。美國 Rut- gers University 大學的 Choi 制備了 70 μm，單一鐵電疇，具有半導體特征的 BiFeO3 單晶，他們發現電流 - 電場曲線具有單向電流特征，樣品在光輻射條件下產生光伏電流，并且極化翻轉可以調控單向電流和光伏效應(圖 6)。法國 CNRS 實驗室的 Garcia 等發現，納米級厚度的 BaTiO3 外延薄膜具有良好的鐵電性，電子能夠量子隧穿鐵電薄膜，而且鐵電薄膜的極化翻轉引起隧穿勢壘的變化，從而導致鐵電薄膜極化翻轉前后穿過鐵電薄膜的隧穿電流劇烈變化，比如，在 3 nm 的 BaTiO3鐵電薄膜中，鐵電極化翻轉可以導致薄膜的電阻變化750 倍(圖 7)。進一步的研究發現在 2 nm-Fe /1 nm- BaTiO3 /30 nm-La0. 67 Sr0. 33MnO3 的“三明治”隧道磁電阻結構中，隧穿電流同時受到磁矩和鐵電極化翻轉的雙重調控(圖 8)。美國 Oak Ridge 實驗室 Peter 等發現，在 30 ～ 50 nm Pb ( Zr0. 2 Ti0. 8 ) O3，100 ～ 120 nm 的 (Bi0. 875Ca0. 125 )FeO3薄膜中，鐵電極化翻轉導致樣品的阻值變化高達 500 倍，電流 - 電場曲線具有記憶功能和單向電流特征。加州伯克利的 Ramesh 等人發現 Bi1 - x CaxFeO3 外延薄膜中氧空位是 N 型摻雜，Ca 是 P 型摻雜，Bi0. 875Ca0. 125FeO3 外延薄膜中可以同時存在 N 型、P型和 P-N 結，鐵電極化過程中容易引起氧空位遷徙，從而調控 P-N 結和其電流特征。不同于鐵電場效應管(通過鐵電極化翻轉引起 Si 溝道內的載流子濃度和電阻變化)，鐵電極化翻轉改變其自身的穩態電流和電阻，目前尚不清楚鐵電極化翻轉如何調制材料自身的能帶帶隙、隧穿勢壘、載流子、耗盡層等。先前的理論，無法解釋上述論文報道的復雜多變的實驗現象，相關作者也只是羅列了幾種可能的解釋。
 

　　雖然上述半導體二極管調制、光伏電流調制、電致電阻調制、隧道磁電阻調制等現象復雜多變、牽涉多種材料和異質結，但都是通過鐵電極化翻轉調控穿過鐵電層自身的電子穩態輸運過程，因此都屬于“鐵電極化—電子穩態輸運”耦合范疇。
 

　　通過鐵電極化調控電阻和磁電阻等電子的輸運過程涉及多個領域: 納米級鐵電薄膜中電子的量子隧穿; 鐵電極化調控類二極管的單向電流; 鐵電極化調制光伏效應甚至非線性光學系數; 鐵電極化誘導半導體耗盡層等。上述這些復雜的實驗現象，可以總結為“鐵電極化—電子穩態輸運”耦合效應。這類現象比較復雜，也尚未有豐富的實驗數據可供參考，因此當前的認識還比較模糊。總之，進一步探索新材料、新體系和深化相關物理機制的研究，將有助于人們把對“鐵電極化—電子穩態輸運”耦合的理解推進到更深更廣的層次。