鐵電隧道結具有簡潔的金屬-超薄鐵電-金屬疊層器件結構，它利用鐵電極化翻轉調控量子隧穿效應來獲得不同電阻態，從而實現數據存儲功能。由于其中鐵電極化亞納秒尺度的超快翻轉以及緊湊的交叉陣列結構，鐵電隧道結具有高速讀寫、低功耗和高存儲容量等優點，近年來在信息存儲領域受到廣泛關注。隧穿電致電阻 (或開關比) 是衡量隧道結性能的核心指標。2005年理論模型指出，隧穿電致電阻與界面電荷屏蔽效應、鐵電極化強度等密切相關。目前，一般通過多樣化的電極工程（如利用插層的相變特性調控隧穿勢壘，或利用半導體電極材料引入額外肖特基勢壘，或利用新興二維金屬電極材料引入載流子濃度調控 (圖1)）來調制電荷屏蔽效應，實現隧穿電致電阻的提升。鐵電極化強度對電致電阻的影響同樣關鍵。不過，由于制備工藝和定量研究手段的限制，鐵電層的電極化強度如何定量影響隧穿電致電阻迄今尚無實驗驗證。

圍繞這一問題，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心功能材料與器件研究部胡衛進研究員聯合楊騰研究員，與材料結構與缺陷研究部唐云龍研究員等合作，提出利用緩沖層定量調控外延應變，延遲鐵電晶格弛豫從而增強極化強度的策略，成功揭示極化強度同鐵電隧道結開關比之間的內在關聯。3月4日，該成果以“Epitaxial Strain Enhanced Ferroelectric Polarization Towards a Giant Tunneling Electroresistance”為題, 發表于《美國化學學會 納米》(ACS Nano) 期刊上，為設計具有大開關比的高性能鐵電隧道結存儲器提供了全新的思路。

研究人員以Sr3Al2O6/La0.67Sr0.33MnO3/BaTiO3為模型體系，利用激光分子束外延技術實現了多層膜的原子級逐層生長。結合高分辨X射線衍射技術（圖2、圖3）、宏觀鐵電極化性能測試 (圖4)、像差校正透射電子顯微鏡（圖5）等研究手段，發現通過變化Sr3Al2O6 緩沖層厚度可以連續調控BaTiO3單晶薄膜的應變，獲得隨面內壓應變增大而線性增加的鐵電極化強度。該實驗結果和第一性原理計算結果相一致（圖8）。其應變敏感系數在典型鈣鈦礦鐵電材料中最大，高達28 μC/cm2/%?；诖?，研究人員得以在-2.1%的壓應變下，在BaTiO3/La0.67Sr0.33MnO3界面獲得破紀錄的高達80 μC/cm2鐵電極化強度，打破已報道的最高值。得益于這一巨大鐵電極化強度，研究人員在La0.67Sr0.33MnO3/BaTiO3 (3.2 nm)/Pt鐵電隧道結中實現了105的巨大隧穿電致電阻（圖6、圖7），比沒有緩沖層的鐵電隧道結高100倍。

金屬所功能材料與器件研究部研究生李小奇為論文第一作者，楊騰研究員和胡衛進研究員為共同通訊作者。該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金重點項目、面上項目、遼寧省中央引導地方科技發展專項的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c10933

論文DOI號：10.1021/acsnano.3c10933

圖1. 提高隧穿電致電阻效應（TER）的不同機制。（a）金屬/鐵電/金屬型隧道結中鐵電極化強度依賴的TER，更大的鐵電極化誘導更陡峭的勢壘，如紅色虛線所示，增強TER；（b）鐵電極化調控的界面金屬-絕緣體轉變或鐵電-介電復合隧穿勢壘；（c）鐵電極化通過半導體電極的耗盡層調控有效隧穿勢壘寬度；（d）鐵電極化調控二維石墨烯電極的載流子濃度

圖2. 連續調控外延薄膜的面外應變。（a），（d）不同Sr3Al2O6和BaTiO3厚度的異質結結構示意圖；（b），（e）對應薄膜的高分辨X射線衍射圖；（c）放大的BaTiO3單晶薄膜的（002）衍射峰。