Basierend auf einer Analyse der Dichtefunktionaltheorie schlug ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Zheng Xiaohong von den Hefei Institutes of Physical Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften vor, dass die Doppelbarrierestruktur den Tunnelelektrowiderstand (TER) von ferroelektrischen Tunnelkontakten (FTJs) erheblich verbessern kann ) und zeigte, dass der ferroelektrische Tunnelübergang mit doppelter Barriere (DB-FTJ) eine Mehrzustandsspeicherung realisieren kann.
Die Ergebnisse wurden veröffentlicht in npj-Rechnermaterialien.
FTJs haben als potenzielle nichtflüchtige Speichergeräte große Aufmerksamkeit erregt. Die Struktur von FTJs besteht aus Metallelektroden auf beiden Seiten und der dazwischen liegenden ferroelektrischen Tunnelbarriere.
Das Umkehren der Polarisationsrichtung des ferroelektrischen Materials führt zu einer großen Änderung der Leitfähigkeit, wodurch Zustände mit hoher und niedriger Leitfähigkeit entstehen, die als EIN- und AUS-Zustände in Binärspeichern verwendet werden können. Ein zentraler Forschungsschwerpunkt ist die Entwicklung neuer Methoden zur Erzielung höherer TER-Verhältnisse, die die Änderung der Leitfähigkeit zwischen den beiden Polarisationszuständen quantifizieren.
In dieser Studie entwarfen die Forscher das Pt/BaTiO3/LaAlO3/Pt/BaTiO3/LaAlO3/Pt DB-FTJ und führten Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie durch, um seine Transporteigenschaften zu simulieren. Sie fanden heraus, dass der Wechsel zwischen den ferroelektrischen linken und rechten Polarisationszuständen im vorgeschlagenen DB-FTJ ein enormes TER-Verhältnis von 2,210×108 % erzeugt (was darauf hinweist, dass es einen großen Unterschied im Transmissionskoeffizienten zwischen den beiden Polarisationszuständen gibt). mindestens drei Größenordnungen größer als der des ferroelektrischen Tunnelübergangs mit einer Barriere aus Pt/BaTiO3/LaAlO3/Pt (SB-FTJ).
Die Grundidee beruht auf zwei Tatsachen. Erstens hängt der Transmissionskoeffizient einer Doppelbarrierenstruktur, die aus zwei in Reihe geschalteten Einzelbarrieren besteht, mit dem Produkt der Transmissionskoeffizienten der beiden Einzelbarrieren zusammen. Zweitens wächst das Quadrat positiver Zahlen größer als eins exponentiell. Diese Prinzipien werden im DB-FTJ perfekt offenbart.
Die Forscher schlugen außerdem vor, dass zwei zusätzliche Polarisationszustände mit ferroelektrischer Kopf-Kopf- und Schwanz-Schwanz-Polarisation erreicht werden können, indem die Polarisationsrichtung jeder Barriere separat gesteuert wird, was zu mehreren Widerstandszuständen führt.
Diese Studie hat gezeigt, dass die Doppelbarrierestruktur beim Design von FTJs das TER-Verhältnis von FTJs erheblich verbessern und sie für die Datenspeicherung mit mehreren Zuständen vielversprechend machen kann.
Mehr Informationen:
Wei Xiao et al., Stark verbesserter Tunnelelektrowiderstand in ferroelektrischen Tunnelübergängen mit einem Doppelbarrierendesign, npj-Rechnermaterialien (2023). DOI: 10.1038/s41524-023-01101-9