铁电二极管阻变的变脸

来源: news.scnu.edu.cn

近日我校华南先进光电子研究院樊贞副教授为第一作者及共同通讯作者、珠江学者高兴森教授为共同通讯作者，在SCI影响因子4.061的物理类一区期刊Physical Review Applied上发表关于铁电二极管阻变的研究成果。

阻变（resistive switching，RS）概念最简单的描述是：存在两个或多个阻态，它们阻值有足够大差别、可以稳定存在足够长时间，并且阻态之间可通过电场/电流来实现“天文数字”的切换次数。

RS最开始被提出来并加以研究，其实很别扭。因为从信息存储角度看，我们浸入骨髓的观念是需要两个或者多个简并的阻态，而不是RS这种不简并的电阻态。这意味着RS用于信息存储一定存在缺憾，即态的不等价或不稳定。这种非简并特征导致的自发动力学行为会给RS机制的研究带来很大困难。也就是说，RS绝对不是一个好的物理研究领域：很粗陋、不漂亮。

但是，RS的优势又很明显。人类最擅长的就是电测量和控制，比磁测量控制更方便和快捷。既可以实现电流测量也可以实现电压测量，从而可以显著降低能耗。其实，RS研究泛滥成山的一个直接原因是一般性实验做起来很容易，三下五除二就能搞定，是个实验室都能来尝试一把，灌个论文啥的，名利双收。

RS之下再进一步还有很多变种，简直让人眼花缭乱。铁电阻变是通过铁电极化反转写入信息，极化束缚电荷改变界面势垒，进而通过电阻的变化读取信息。从原理上说，铁电阻变存储集铁电存储与阻变存储的优点于一体，有望用于制备高密度、高速度、低功耗、非破坏读取的非挥发性存储器件。

然而，实际的电极/铁电体/电极三明治（MFM）结构中，导电机理复杂，有太多因素可能导致阻变的发生。在电极/铁电体界面处，除了极化束缚电荷，缺陷态对电子空穴的俘获、界面氧化还原反应、带电离子(如氧空位)的迁移，都可能导致界面势垒的改变，进而诱发阻变产生。而在铁电体层内部，点缺陷(团簇)、位错、畴壁的形成及运动都会对电荷传输产生影响，也可以诱发阻变。总之，实际MFM结构中的阻变机制非常复杂，很难保证某个MFM结构的阻变一定只由铁电极化所控制。

前面说RS研究不是好的物理题目，原因就在这里。但是清高从来都会屈服于利益的淫威，RS撬动的巨大市场应用前景让物理学者不得不俯下身段，虽然这个市场一直都没有到来。

对RS的研究一向都是鱼龙混杂。由于大多RS材料成分复杂、结构多样化，许多测试结果重复性差、稳定性低、数据可靠性弱，即“真善美”和“假丑恶”之间又多了个“弱低差”。也正因为如此，RS研究进程中，任何试图脱离鱼龙混杂的挣扎都是值得重视的。本工作中，研究人员对铁电二极管这一类MFM结构的阻变机制进行了细致研究，仔细梳理了铁电极化以外“捣乱”的因素，进而建立更加贴近实际的定量阻变模型，用以解释阻变行为为何多变、难重复，同时对获取高可靠性提出一些建议。

研究人员首先做了一个简单的对比实验。同样条件下生长两片BiFeO3（BFO）薄膜，一片不做处理，另一片用小功率氧等离子体轰击一定时间。然后在两片薄膜上都蒸镀纳米金电极。我们观察到未做处理的BFO薄膜能够得到重复性、稳定性都较好的反转二极管阻变行为，而氧等离子体处理的BFO薄膜其反转二极管阻变重复性及稳定性都较差。紧接着利用PFM和SKPM相结合的方法，证明了在电写入BFO薄膜过程中，不仅仅发生极化反转，还发生电荷注入及俘获。而后者在氧等离子体处理的薄膜中更为显著。我们推测这是由于氧等离子体处理引入了更多的表(界)面缺陷态。这一观点得到XPS证实。

考虑到界面缺陷态广泛存在于电极/铁电体异质界面，电荷注入及俘获这一界面效应在MFM结构中不可忽视，研究人员对Pintilie和Alexe的铁电二极管模型进行了一些修正，引入了电荷注入及俘获效应。通过计算揭示出：界面肖特基势垒同时被极化束缚电荷和俘获电荷所调控。俘获电荷增多，阻变开关比、阻变I-V滞回线的走向、甚至阻态都会被改变。这一结果很好解释了为何实验中经常观测到“杂乱无章”的阻变行为。进一步也观测到：除了界面缺陷态总量，界面层其它物理性质如厚度和介电常数对阻变的影响也很大。基于以上结果，研究团队提出了一些抑制电荷注入及俘获诱发阻变效应的措施，对获取高可靠性铁电阻变存储器件有一定指导意义。

（该研究成果发表链接：http:// http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevApplied.7.014020 ）