铁电/铁磁异质结中的量子隧穿效应及其多场可控性研究

With the development of nano-technology, memories based on the quantum phenomena have gained great interest. Nowadays，varies metal oxides and metals can be epitaxially grown with perfect interface, which paves a way of using mutual-fields to control the electron quantum effect. Such functional ultrathin heterostructures exist rich physics, which may have potential applications in nano-functional devices and memories. In this project, we will continue our work on the nano-scale properties of multiferroics to a further aim of studying the electron tunneling effect in multiferroics and its multi-field control ability. By considering the polarization switch, piezoelectric effect, external fields, we will firstly construct a formula of tunneling current with respect to temperature, and then devote ourselves to the tunability of ferroelectric properties by mutual external fields and the resistance change with application of external fields. Experimental work will be done along the theoretical research to enrich the theory. At last, we will discuss and conclude the factors and methods which can lead to large resistance changes.

随着对纳电子器件的研究深入，基于量子效应的信息存储和读写将成为下一代信息处理的理想方式。现代制备技术的提高使得多种氧化物及金属可匹配外延生长，高质量的外延铁电薄膜在几个原子晶胞的厚度上依然保持有较大的铁电极化能力,为利用多铁异质结构进行多场调控电子输运行为提供了可能。这类结合了功能材料物性与量子效应的异质结蕴含着丰富的物理现象，有望广泛应用于微纳功能器件、信息存储等领域。本项目基于对铁电材料临界尺寸、物理性能及多铁异质结构中力-电-磁耦合机理及可调性深入研究的基础之上，开展对纳尺度多铁隧穿结中的电子输运现象及其多场可控性研究。通过建立极化、压电、温度及外场相关的隧穿电流模型，研究极化反转、压电效应、界面效应等对电子隧穿电流的影响规律，重点研究纳尺度铁电层的非线性压电性能及其磁场可控性，提出实现高隧穿电阻比的设计因素，并通过实验进行验证，进而揭示获得显著隧穿电阻的可控性因素及相应条件。

铁电超薄薄膜因其极化状态可受外力场、电场等可控，可用于隧穿结的绝缘层。本项目旨在研究纳米尺度铁电薄膜的物理性能及可调控性以及在铁电隧穿结中的应用。研究发现，铁电薄膜在各种应力状态下的可调控机制，铁电体在一定条件下可以呈现多种相或者多种畴结构共存的现象，而这种共存畴结构伴随铁电薄膜或者块体的拓扑结构、介电性能、压电性能等诸多异常变化。当共存系统在外力作用下，很小的激励就可以发生很大的变化，发现铁电畴的非局域畴拓扑重构现象，而且这种共存畴易在外界条件下改变，从而实现多阻态隧穿电阻效应。通过本项目的研究，从理论及实验两方面对巨压电效应的成因进行了研究，澄清了巨压电效应的主要起因，从而可对铁电隧穿结的开关比进行更好的设计。通过对PZT压电效应的研究发现，共存畴在一定范围内存在，其中的应变协调使得晶格畸变，从而获得具有更高压电效应的单斜相；获得了一套完整的弛豫铁电单晶的朗道系数，这套系数的获得，有望为PMN-PT弛豫单晶的深入研究以及对薄膜的研究提供理论基础，并初步揭开弛豫铁电单晶中巨压电效应的谜团；在PbTiO3铁电薄膜中首次观测到多畴共存引起的非局域效应，研究结果表明共存区域的薄膜具有很小的能量势垒，为低耗电子器件的设计制备提供了思路；利用铁电畴的共存现象设计了四态电阻铁电隧穿结，采用理论对四种畴状态的极化性能、有效厚度、压电效应以及界面势垒进行了详细研究，并计算对比了四种阻态的隧穿电流，获得可以通过竖向电场获得的四种电阻状态，有望制备出多阻态低场高开关比铁电隧穿结。.项目执行期间发表带有项目资助编号的SCI文章共10篇，包括国际物理杂志PRB，美国应用物理杂志APL、JAP等。目前还有一篇关于铁电非局域效应的文章已投送Advanced materials，一篇关于弛豫铁电单晶的文章已投送Physical Review B, 还有几篇文章正在整理中。广泛开展了国际间的合作与交流，参加国际会议4次，国内会议若干次，并赴美国加州大学伯克利分校进行为期一年的访问，培养毕业硕士研究生共2人。