Nature Materials：基于可变高导电性畴壁形成的无损铁电存储器

【引言】

在绝缘铁电材料中，可擦除的导电畴壁可以用于无破坏读写铁电存储器。然而，在这种器件中，畴壁电流密度还达不所需的强度及相应的稳定状态，所以不能满足具有高速读写速度集成电路的需求。因此，如何克服这一困难成为制约其应用的最主要原因。

【成果简介】

近日，上海复旦大学江安全教授课题组利用外延的BiFeO₃薄膜实现了无破坏的数字信号读取存储。在器件读取的过程中，当施加读取电压时会在畴壁处形成导电畴，而当电压撤去时，导电畴又会自发地立即消失。在5 V的电压下，三端存储器件的读取电流可达14 nA，在温度高达85℃时，仍具有很好的稳定性。另外，器件沟道的长度可以小于材料的厚度，为实现尺寸小于100 nm的铁电存储器件提供了可能。该研究成果以题为“Temporary formation of highly conducting domain walls for non-destructive read-out of ferroelectric domain-wall resistance switching memories”发布在Nature Materials上。

【图文导读】

图1：带电畴壁的制备

（a）（001）STO衬底上35 nm厚的（001）_PCBFO薄膜在电压2.5V，沟道长宽都为50 nm的情况下水平电场的模拟。

（b）在[001] STO衬底上外延生长的的BFO薄膜的AFM图和对应的相图。

图2：35 nm厚纳米器件的开态电流

（a）-（d）对应宽度为52 nm，长度分别为63 nm，97 nm，136 nm，174 nm纳米沟道的SEM图。

（e）-（h）面内PFM相图。沿电场方向正畴（e，h中灰色部分）和负畴（f，g中白色部分）。

（i）-（l）在正/负阈范围内，随E、P方向的变化及电压扫描方向的不同，对应I-V曲线的变化

图3：35 nm厚纳米器件畴的转换

（a）图2（i）曲线的100次循环。

（b），（c）分别为在4 V电压沟道宽度为50 nm的情况下矫顽电压和开态电流随沟道长度变化的关系。

（d）根据图中箭头所示的电压扫描方向I-V曲线的回滞。

（e）对于施加不同转换电压情况下，转变时间依赖于读取电流的大小。

（f）耐久性测试结果，器件的沟道宽和长分别为51 nm和125 nm。

图4：厚度为120 nm的器件的壁电流以及利用扫描探针技术得到的直接证据

（a）沟道宽度为44 nm时不同沟道长度器件的I-V曲线，右图表示随沟道长度改变矫顽电压和电流的变化。

（b）经过施加10 s的-18 V后两个具有71°夹角畴的面内PFM。

（c）TE1和针尖之间电场为-140 kV/cm，TE2和针尖同时接地时CAFM电流图。

图5：三端BFO存储器件的读写方案

（a），（b）左图分别为读写电压和情况下存储单元的工作原理图。中间两个图分别为不同沟道长度下的I-V回扫曲线。右侧图为器件开、关情况下的保持特性。

（c）左图为“读”状态下（b）器件的平面SEM图。中间和右侧图分别为沿不同方向面内PFM相图扫描时畴具有不同的变形。

【小结】

由于施加电压时沿铁电材料BFO表面的面内读写电流发生了一定程度的变化，从而实现了具有稳定、可重复功能的存储器件。只有在施加电压的情况下导电畴壁才能形成，从而实现了器件的开关特性。这种具有良好性能的存储器件可以广泛应用于照明、各向异性磁阻、光伏电流探测等方面。

文献链接：Temporary formation of highly conducting domain walls for non-destructive read-out of ferroelectric domain-wall resistance switching memories(Nat. Mater., 2017, DOI: 10.1038/nmat5028)

本文由材料人编辑部新人组赵静编译，赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

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