Design a doppia barriera proposto per migliorare l'elettroresistenza a effetto tunnel

30 agosto 2023

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di Zhang Nannan, Accademia cinese delle scienze

Sulla base dell'analisi della teoria del funzionale della densità, un gruppo di ricerca guidato dal Prof. Zheng Xiaohong dell'Istituto di scienze fisiche Hefei dell'Accademia cinese delle scienze ha proposto che la struttura a doppia barriera può migliorare notevolmente l'elettroresistenza a tunnel (TER) delle giunzioni tunnel ferroelettriche (FTJ) ) e ha dimostrato che la giunzione tunnel ferroelettrico a doppia barriera (DB-FTJ) può realizzare uno stoccaggio multistato.

I risultati sono stati pubblicati su npj Computational Materials.

Gli FTJ hanno attirato notevole attenzione come potenziali dispositivi di memoria non volatile. La struttura degli FTJ è costituita da elettrodi metallici su entrambi i lati e da una barriera intermedia a tunnel ferroelettrico nel mezzo.

L'inversione della direzione di polarizzazione del materiale ferroelettrico porta a un grande cambiamento nella conduttanza, creando stati di alta e bassa conduttanza che possono essere utilizzati come stati ON e OFF nelle memorie binarie. Un obiettivo chiave della ricerca è sviluppare nuovi metodi per ottenere rapporti TER più elevati che quantifichino la variazione di conduttanza tra i due stati di polarizzazione.

In questo studio, i ricercatori hanno progettato il DB-FTJ in Pt/BaTiO3/LaAlO3/Pt/BaTiO3/LaAlO3/Pt e hanno eseguito calcoli sulla teoria del funzionale della densità per simulare le sue proprietà di trasporto. Hanno scoperto che il passaggio tra gli stati ferroelettrici di polarizzazione sinistra e destra nel DB-FTJ proposto produce un enorme rapporto TER di 2,210×108% (indicando che c'è un'enorme differenza nel coefficiente di trasmissione tra i due stati di polarizzazione), che è almeno tre ordini di grandezza maggiore di quello della giunzione tunnel ferroelettrico a barriera singola Pt/BaTiO3/LaAlO3/Pt (SB-FTJ).

L’idea di base affonda le sue radici in due fatti. Innanzitutto il coefficiente di trasmissione di una struttura a doppia barriera, costituita da due barriere singole in serie, è legato al prodotto dei coefficienti di trasmissione delle due barriere singole. In secondo luogo, il quadrato dei numeri positivi maggiori di uno aumenta in modo esponenziale. Questi principi sono perfettamente rivelati nel DB-FTJ.

I ricercatori hanno inoltre proposto di ottenere due stati di polarizzazione aggiuntivi con polarizzazione ferroelettrica testa a testa e coda a coda controllando separatamente la direzione di polarizzazione di ciascuna barriera, risultando in più stati di resistenza.

Questo studio ha dimostrato che, nella progettazione degli FTJ, la struttura a doppia barriera può migliorare notevolmente il rapporto TER degli FTJ e renderli promettenti per l'archiviazione di dati multistato.

Maggiori informazioni: Wei Xiao et al, Elettroresistenza a tunnel notevolmente migliorata nelle giunzioni tunnel ferroelettriche con un design a doppia barriera, npj Computational Materials (2023). DOI: 10.1038/s41524-023-01101-9

Fornito dall'Accademia Cinese delle Scienze