物理所多鐵性鐵酸鉍外延薄膜受極化調製的導電特性研究取得進展

BiFeO₃(BFO)作為室溫單相多鐵性材料，不但具有優越的鐵電特性，同時由於電、磁、應變之間的耦合作用，可以實現用電場控制磁化，是研究新型多態磁電存儲器的首選材料。最近有文獻報導了在BFO單晶中又觀察到了與鐵電極化相關的可反轉的二極體整流特性。這種受鐵電極化調控的導電行為，不但增加了多鐵性BFO材料的多功能特性，也更加豐富了BFO的物理內涵，除了鐵電、鐵磁和鐵彈三個序參量之間的耦合，電輸運特性與三個參量之間也存在相互作用。

中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)光物理實驗室金奎娟研究組，在氧化物薄膜的雷射法製備和物理研究方面取得了豐碩的成果。最近，王燦副研究員、金奎娟研究員、呂惠賓研究員及楊國楨院士等人利用雷射分子束外延設備，成功地製備了具有優越鐵電性的BFO外延薄膜，並首次在BFO外延薄膜中觀察到了可反轉二極體特性和相應的電致電阻效應。研究表明，BFO外延薄膜的可反轉二極體特性與鐵電極化相關，二極體的正嚮導電方向受鐵電極化的方向控制，因此二極體的極性隨著鐵電極化的反轉而發生反轉。他們分析了BFO外延薄膜與氧缺位相關的半導體特性，提出了受鐵電極化調製的肖特基勢壘模型，闡述了相關物理現象的產生和機制。該研究發表在Appl. Phys. Lett. 98, 192901 (2011).

同時，他們與復旦大學等單位合作，系統地研究了BFO外延薄膜的阻變特性與鐵電極化的關係，獲得了電阻轉變受鐵電極化控制的實驗證據，為設計和開發新型高密度鐵電電阻存儲器提供了材料和物理基礎。由鐵電極化控制的電阻轉變現象被稱為鐵電電致電阻，與普通電致電阻的產生機制不同。普通電致電阻行為多數被認為是由於與缺陷相關的導電通道的形成和斷開引起，是缺陷控制的非穩態行為；而鐵電電致電阻是受鐵電極化的兩個穩態控制的，具有更好的穩定性，所以鐵電電阻存儲可以克服普通電阻存儲面臨的穩定性問題。此外，傳統的鐵電存儲器是利用鐵電極化的兩個方向表示二進位數據的，極化反轉的速度很快，但是讀取極化電荷的電壓必須要高於驕頑電壓，是破壞性讀出，需要相應的恢復電路；而利用鐵電電阻效應，可以通過電阻大小實現極化方向的讀出，是小電壓非破壞性讀出，不需要恢復電路，可以降低能耗並獲得更高的存儲密度。相關工作發表在Adv. Mater. 23, 1277 (2011).

新型鐵電電阻存儲不但可以克服電阻存儲器的穩定性問題，並且保留了電阻存儲的高密度特性、以及鐵電存儲的高速讀寫特性。相關研究為高速高容量鐵電存儲器的設計開闢了新的途徑，這意味著在數字信息存儲領域，有望誕生讀寫速度更快、體積更小、能耗更低、可靠性更強的新型非揮發存儲器，可以替代市場上的多種存儲器，具有極大的應用潛力和商業前景。

相關工作得到了國家自然科學基金，科技部973等項目的支持。

圖1. 電流電壓(IV)關係曲線與鐵電電滯回線。(a) BFO外延薄膜的IV曲線，顯著的回線特徵表示BFO薄膜具有電致電阻特性，圖中數字表示IV測量順序。(b) IV回線隨測量電壓增加逐漸增大。(c) BFO外延薄膜的鐵電極化回線。

圖2. 可反轉二極體特性與機制分析。(a)(b)(c)分別表示BFO外延薄膜初始態、向上極化、向下極化三個狀態的導電特性。外加脈衝電壓極化後，薄膜的IV特性呈現二極體整流效應，二極體導電極性方向可隨脈衝電壓極性即鐵電極化方向變化而發生改變。(a')(b')(c') 分別對應BFO薄膜不同極化狀態下的能帶示意圖，表示受鐵電極化調製的Shottky勢是導致可反轉二極體特性的主要機制。

圖3. BFO外延薄膜的電阻依賴鐵電極化變化的證據。(a) 不同脈衝電壓下測量的剩餘極化強度(脈衝電壓幅度從-20V到20V，再到-20V)；（b）施加不同幅度脈衝電壓後，在4V測量的電流密度，表示BFO的電阻改變對應著鐵電極化強度的變化。(c)BFO外延薄膜的壓電力顯微圖(PFM)，實現局部微區的不同極化狀態; (d)導電原子力顯微圖片(Conductive AFM),表示BFO薄膜微區的電阻隨極化狀態的不同而改變。