近日，中科院合肥物理所(HFIPS)研究团队在《应用物理评论》(PhysicalReviewApplied)上发表的一篇论文中，研究了钙钛矿氧化物铁电隧道结(FTJs)输运性质的界面控制，并提出一种在FTJ中实现巨型隧道电阻(TER)的新方案。

据该团队负责人郑晓红介绍，通过在对称Pt/BaTiO3/PtFTJ的其中一个界面处引入负极原子层，可以获得高达105%的TER比率。

FTJ是一种隧道结，其中薄铁电薄膜夹在两个金属电极之间。电阻高度依赖于铁电势垒的极化方向。通过用外部电场反转极化方向，可以分别获得具有高电阻和低电阻的两种截然不同的状态。

FTJ在非易失性随机存取存储器中有重要应用。它们具有数据存储密度高、读写速度快、功耗低等优点，作为存储元件引起了广泛的研究兴趣。高阻态和低阻态之间的差异通常以TER比率为特征。因此，如何获得较高的TER比率一直是FTJ研究的关键问题之一。

在这项研究中，科学家们提出了一种新方案，通过在FTJ的一个界面处引入负极原子层来实现巨大的TER比率。

在对称的Pt/BaTiO3/PtFTJ中，通过在Pt/BaTiO3/Pt隧道结的右侧界面用Na或Li原子取代Ti形成负NaO2或LiO2界面。然后，由于这个额外的NaO2或LiO2层，实现了105%的TER比率。

该机制的根源在于两种极化状态下负极界面引起的铁电势垒电位变化的巨大差异。

当铁电势垒左极化时，每个原子层的势垒带从左到右增加。同时，由于库仑排斥，带负电的NaO2或LiO2界面进一步推高了势垒的能带，在右侧界面区域附近，价带最大值(VBM)上升到费米能以上，导致部分金属化。

在右极化状态下，虽然NaO2或LiO2界面处的库仑斥力仍然存在，但铁电势垒本身的能带从左向右递减。由于它们之间的抵消，整个势垒中的价带分布比较平坦，VBM始终低于费米能级，没有发生部分金属化。两种极化状态下部分金属化的发生和消失显着改变了有效势垒宽度并导致低电阻和高电阻状态，随后实现了巨大的TER比率。

研究表明，基于界面替代的带负电极性界面是实现FTJs大TER比的可行方案，为高性能FTJs的设计提供重要参考。