High-performance ferroelectric memory based on fully patterned tunnel junctions
在具有铁电势垒的隧道结中，切换极化方向修改静电势分布和相关联的平均隧道势垒高度。这导致隧道传输和相关电阻的强烈变化。因此，铁电隧道结（FTJ）中的信息读出是电阻性和非破坏性的，这与常规铁电存储器（FeRAM）的情况相比是一个优点。最初，耐久性限制（即疲劳）是阻碍FeRAM工业化的主要因素。对各种铁电和电极材料的开关动力学的系统研究已经解决了这个问题，耐久性现在达到了$10^{14}$周期。在这里，我们研究了完全图案化的亚微米Co/BiFeO $_3$ /Ca $_{0.96}$ Ce $_{0.04}$ MnO $_3$ FTJ中的数据保持和耐久性。我们报告了高电阻对比的良好再现性，并将FTJ的最大报告耐久性延长了三个数量级（$4\times10^6$周期）。我们的研究结果表明，这里的疲劳是不受限制的极化的减少或增加的泄漏，而是由畴壁钉扎。我们提出了更可靠地访问极端和中间电阻状态的方向，并进一步加强FTJ的非易失性存储器应用的潜力。
2014-02-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Graphene-Ferroelectric Hybrid Structure for Flexible Transparent Electrodes
石墨烯具有优异的光学、机械和电学性能，使其成为新型光电子学、光子学和柔性透明电极应用的新兴材料。然而，石墨烯的相对高的薄层电阻是许多这些应用的主要限制。在这里，我们提出了一种使用非挥发性铁电聚合物门控在大规模CVD单层石墨烯中实现低薄层电阻的新方法。在这种混合结构中，大规模石墨烯被非挥发性铁电偶极子重掺杂至高达3{ \times } × 1013 cm-2，在环境条件下产生120 Ω{ \Box }的低薄层电阻。石墨烯-铁电透明导体（GFeTC）由于铁电聚合物的高度透明性质而表现出从可见光到近红外范围的大于95%的透射率。结合其优异的机械柔性、化学惰性和铁电聚合物的简单制造工艺，所提出的GFeTC代表了大规模石墨烯基透明电极和光电子学的新路线。
2013-02-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Colossal electroresistance in metal/ferroelectric/semiconductor tunnel diodes for resistive switching memories
我们提出了一种隧穿异质结构，通过用重杂质半导体代替金属/铁电/金属铁电隧道结中的一个金属电极。在这种金属/铁电/半导体隧道二极管中，由于铁电场效应，隧道势垒的高度和宽度都可以被电调制，从而导致巨大的隧道电阻。这一想法在Pt/BaTiO 3/Nb：SrTiO 3异质结构中实现，其中在室温下可以容易地实现高于10 $^4$的导通/截止电导比。在这些铁电隧道二极管中观察到的巨大的隧穿电阻、可靠的开关再现性和长时间的数据保持表明它们在非破坏性读出非易失性存储器中具有巨大的潜力。
2012-08-27 cond-mat.mtrl-sci
Magnetic tunnel junctions based on ferroelectric Hf0.5Zr0.5O2 tunnel barriers
在两个铁磁电极之间的铁电隧道势垒（多铁性隧道结，MFTJ）是未来微电子器件中最有前途的概念之一。与此同时，哈夫尼亚基铁电体显示出器件小型化到纳米级的巨大潜力。在这里，我们利用铁电Hf0.5Zr0.5O2（HZO）的厚度只有2 nm，外延生长在La0.7Sr0.3MnO3（LSMO）铁磁电极，作为一个大的带隙绝缘势垒集成在MFTJ与钴顶部电极。如先前对于具有类似电极的其他MFTJ所报道的，隧穿磁阻（TMR）可以被调谐，并且其符号甚至可以通过跨结的偏置电压而反转。我们展示了四个非易失性电阻状态所产生的磁场和电场开关在这个系统中具有很高的再现性。
2019-02-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Insights into electron transport in a ferroelectric tunnel junction
铁电隧道结（FTJ）的成功取决于隧道电阻（TER）效应所引起的电子隧穿的不对称性。这种特性主要考虑三种传输机制：直接隧穿、电子发射和福勒-诺德海姆隧穿。在这里，通过分析温度对TER的影响，我们表明，仅考虑这些机制可能是不够的，以充分表征FTJ设备的性能。我们用非平衡格林函数（NEGF）方法研究了FTJ中的电子隧穿，该方法能够克服上述三种机制的局限性。我们带来的证据表明，FTJ的性能也受到温度的影响，在一个非平凡的方式，通过共振（Gamow-Siegert）状态，这是目前在电子传输概率，通常位于势垒以上。虽然NEGF技术不提供直接访问的波函数，我们表明，对于单带运输，可以找到在任何给定的能量，特别是在系统中的共振能量的波函数。
2022-02-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
One nanometer HfO$_2$-based ferroelectric tunnel junctions on silicon
在铁电材料中，自发对称性破缺导致可切换的电极化的强度，这为非易失性存储器提供了重要的前景。特别是，铁电隧道结（FTJ）已经成为一种新的电阻开关存储器，它利用极化相关的隧道电流穿过薄的铁电势垒。在这里，我们展示了FTJ与CMOS兼容的Zr掺杂HfO $_2$（Zr：HfO $_2$）铁电势垒的厚度仅为1 nm，生长在硅原子层沉积。这些1 nm Zr：HfO $_2$隧道结表现出大的极化驱动电阻（19000 $\%$），这是HfO $_2$基FTJ的最大值。此外，由于仅1 nm铁电势垒，这些结在低读取电压下提供大的隧道电流（> 1A/cm $^2$），比所报道的较厚的基于HfO $_2$的FTJ大几个数量级。因此，我们的原理验证演示提供了一种方法，同时克服原型FTJ的三个主要缺点：硅兼容的铁电体，大电阻，高速操作的大读取电流。
2020-07-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Controlling the Spin Torque Efficiency with Ferroelectric Barriers
本文从理论上研究了含铁电势垒的磁性隧道结中的非平衡自旋输运。结合Bessel函数和Airy函数，得到了考虑界面屏蔽的自由电子薛定谔方程的精确解.我们证明，自旋转移力矩效率，更一般的偏置依赖性的隧道磁电阻和电阻，可以通过切换铁电极化的障碍。这种效应提供了一种补充的方式来电控制自旋转移器件中的磁化强度和相关磁噪声的电流驱动动态。
2012-11-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
A CMOS Compatible Aluminum Scandium Nitride-based Ferroelectric Tunnel Junction Memristor
我们报道了一种与互补金属氧化物半导体（CMOS）技术兼容的铁电隧道结忆阻器，它直接生长在硅衬底上，使用掺钪的氮化铝作为铁电层。
2021-01-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
In-Plane Ferroelectric Tunnel Junction
铁电材料是实现非易失性存储器的重要平台。到目前为止，现有的铁电存储器器件利用铁电薄膜中的面外极化。本文提出了一种基于面内极化铁电薄膜的新型随机存取存储器（RAM），称为“面内铁电隧道结”。与传统的动态RAM相比，该方案除了具有非易失性、低功耗和写操作速度快等优点外，还具有读操作速度快和非破坏性的优点，从而克服了当前铁电RAM普遍存在的先读后写问题。最近发现的室温铁电IV-VI族半导体薄膜是实现我们的建议的一个很有前途的材料平台。
2019-02-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Low-resistance GaN tunnel homojunctions with 150 kA/cm^2 current and repeatable negative differential resistance
报道了具有可重复负微分电阻和低电阻的GAN n++/p++带间隧道结。反向和正向隧穿电流密度被观察到增加作为Si和Mg掺杂浓度的增加。在室温下，在正向电压约为1.6-2 V时，这些结可以观察到无磁滞的双向负微分电阻。与p层有隧道接触的热离子PN结在7.6 V时的正向电流密度为150 kA/cm ^2，串联器件电阻低至1 x 10^-5 ohm.cm ^2。
2016-02-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Tunneling Electroresistance in Ferroelectric Tunnel Junctions with a Composite Barrier
隧道电阻（TER）效应是与铁电势垒层中的极化反转相关联的铁电隧道结（FTJ）的电阻的变化。在这里，我们预测，FTJ的复合屏障，结合了功能性铁电膜和非极性电介质的薄层可以表现出显着增强TER。由于静电势随着极化反转而变化，非极性电介质势垒充当将其势垒高度从低值改变到高值的开关。预测的TER值很大，表明在铁电体的矫顽电场作用下，FTJ的电阻可以发生多个数量级的变化。
2009-06-08 cond-mat.mtrl-sci
Interfacial dead layer effects on current-voltage characteristics in asymmetric ferroelectric tunnel junctions
模拟了具有界面死层的SrRuO $_{3}$ /BaTiO $_{3}$ /Pt隧道结的电流-电压特性和$P-E$环。不可切换的界面极化与屏蔽电荷和势垒极化自洽地耦合在E-Fermi模型和Landau-Devonshire理论中。发现由于界面偶极子的不对称性，导致P-E环偏离中心位置，正矫顽场和负矫顽场不相等。给出了不同势垒厚度下结的完整J-V曲线，并研究了界面极化强度对隧穿电流的影响。
2014-09-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Electroresistance effects in ferroelectric tunnel barriers
研究了两金属电极间全耗尽铁电隧道势垒的电子输运特性及其与铁电极化方向的关系。该模型假设一个极化方向依赖的铁电势垒。的传输机制，包括直接隧穿，Fowler-Nordheim隧道和电子注入，被认为是在计算的电阻作为铁电体的势垒特性的函数，由铁电体的属性，势垒厚度，和金属的属性，并反过来的极化方向。对于所有三种输运机制，大的电阻在较厚的膜中是有利的，但以电流密度为代价。然而，在两种传输机制之间切换，即，直接隧穿和Fowler-Nordheim隧穿，通过极化转换产生大的电阻。此外，在优化器件性能的最通用的游乐场被发现是电极性能，特别是屏蔽长度和带偏移与铁电体。
2010-10-06 cond-mat.mtrl-sci
Tunneling electroresistance effect in ferroelectric tunnel junctions at the nanoscale
铁电材料的稳定和可切换的极化开启了电控制其功能行为的可能性。一种特别有前途的方法是采用铁电隧道结，其中铁电势垒中的极化反转改变穿过结的隧穿电流。在这里，我们证明了可重复的隧道电阻效应，使用压电响应力显微镜（PFM）和导电原子力显微镜（C-AFM）的纳米厚的外延钛酸钡单晶薄膜SrRuO 3底部电极上的技术相结合。铁电和电子输运性质之间的相关性建立了直接纳米尺度可视化和控制的极化和隧道电流在钛酸钡薄膜。所获得的结果示出了在室温下在20 nm的横向尺度上极化反转时电阻的变化约两个数量级。这些结果是有前途的采用铁电隧道结在非易失性存储器和逻辑器件，不涉及作为状态变量的电荷。
2009-06-08 cond-mat.mtrl-sci
Strain-tunable in-plane ferroelectricity and lateral tunnel junction in monolayer group-IV monochalcogenides
二维铁电材料是设计低维存储器件的一种很有前途的材料。在这里，我们探讨应变可调的IV族单硫族化合物MX（M=Ge，Sn; X=S，Se）的铁电性能及其在横向场隧道结器件的潜在应用。我们发现这些单层具有面内铁电性，其铁电参数与其他已知的二维铁电材料相当。在SnSe，SnS，GeSe和GeS中，我们发现GeS具有最好的器件应用的铁电参数，这可以通过施加单轴拉伸应变来进一步改善。我们使用这些材料的铁电性质的计算研究的隧道电阻（TER）的4 nm器件的横向铁电隧道结的基础上。我们发现了大量的TER比$10^3-10^5$在基于这些材料的设备，这可以进一步提高到40倍的拉伸应变的应用。
2022-01-21 cond-mat.mtrl-sci
Nanotube ferroelectric tunnel junctions with giant tunneling electroresistance ratio
提出以铁电纳米管为隧穿区的新型TER机制，利用本征极化与挠曲电极化及轴向电场实现金属—绝缘态切换，并在α-In2Se3中预测超过9.9×10^10%的超高TER比。
2023-07-13 cond-mat.mtrl-sci
Two-dimensional ferroelectric tunnel junction: the case of monolayer In:SnSe/SnSe/Sb:SnSe homostructure
铁电隧道结是铁电极化和量子隧穿紧密耦合而产生的隧穿电阻效应，由于其在非易失性和低功耗存储器件中的潜力而引起了人们的极大兴趣。然而，铁电尺寸效应阻碍了铁电隧道结表现出强大的TER效应。在这里，我们的研究提出了在二维面内铁电半导体中的掺杂工程作为设计由同质$p$型半导体/铁电/ $n$型半导体组成的二维铁电隧道结的有效策略。由于平面内极化在单层铁电势垒中持续存在，二维铁电隧道结的垂直厚度可以和单层一样薄。我们表明，单层In：SnSe/SnSe/Sb：SnSe结提供了这种策略的一个实施例。结合密度泛函理论和非平衡格林函数方法，研究了In：SnSe/SnSe/Sb：SnSe的电子输运性质，揭示了1460 $\%$的巨TER效应.铁电开关过程中势垒宽度和势垒高度的动态调制是造成这种巨大TER效应的原因。这些发现提供了一个重要的洞察力，对材料中的电子在二维极限的量子行为的理解，并使新一代的非易失性存储器件的基础上灵活的二维横向铁电隧道结的新的可能性。
2019-06-08 cond-mat.mtrl-sci
Effect of a built-in electric field in asymmetric ferroelectric tunnel junctions
利用多尺度热力学模型研究了内建电场对非对称铁电隧道结铁电相变的贡献。详细论证了在非对称铁电隧道结中存在一个临界厚度，在该厚度处发生不寻常的铁电-极性非铁电\rq \rq相变.在极性非铁电\rq \rq相中，只有一个不可切换的极化，这是由去极化场和内建场之间的竞争引起的，并提出了形成封闭状畴以使系统能量最小化的建议。转变温度被发现单调降低的铁电势垒厚度的减少和减少变得更显着的较薄的铁电层。事实上，内置电场不仅导致相变的拖尾，而且还迫使相变在降低的温度下发生。这样的发现可能会对工作温度施加基本限制，因此在未来的铁电隧道结型或铁电电容器型器件中应进一步加以考虑。
2013-06-10 cond-mat.mtrl-sci
Sliding Ferroelectric Tunnel Junctions
最近，实验报道了交错双层六方氮化硼（BBN）中的铁电极化及其新颖的滑动反转机制（Science 2021，372，1458; 2021，372，1462），这为实现具有新功能的范德华（vdW）铁电器件铺平了新的道路。在这里，我们开发了VDW滑动铁电隧道结（FTJ）使用滑动铁电BBN单元作为势垒，并通过第一性原理探索其与不同铁电态和金属接触的输运性质。研究发现，电极/BBN接触电场淬灭了交错BBN中的铁电性，导致非常小的隧穿电阻（TER）。在Au和BN之间插入高迁移率2D材料可以恢复BBN铁电性，在滑动FTJ中达到约10，000%的巨大TER。最后，我们研究了金属接触和厚度对滑动FTJ隧穿特性的影响。vdW滑动FTJ的巨大TER和多个非易失性电阻态显示了其在具有高存储密度的压控纳米存储器中的应用前景。
2021-12-06 cond-mat.mtrl-sci
Field-induced reversible phase transition and negative differential resistance in In2Se3 ferroelectric semiconducting FETs
本研究通过实验证明In2Se3铁电半导体场效应晶体管中栅极可调负微分电阻源于场致可逆相变，并揭示面内电场驱动层间滑动与应力诱导相变机制，为多功能纳米电子学提供新思路。
2025-09-11 cond-mat.mtrl-sci
A ferroelectric memristor
忆阻器是模拟突触的连续可调电阻器。它们在20世纪70年代被概念化，传统上是通过电压引起的物质位移来工作的，但其机制仍然存在争议。最近，基于成熟的物理现象出现了具有适度的电阻变化的PMOSFET电子忆阻器。在这里，我们表明，电压控制的铁电隧道势垒畴结构产生忆阻行为的电阻变化超过两个数量级和10 ns的操作速度。使用铁电畴成核和生长的模型，我们解释了准连续的电阻变化，并推导出一个简单的解析表达式的忆阻效应。我们的研究结果表明，铁电体作为未来神经形态计算架构的硬件基础的新机会。
2012-06-15 cond-mat.mtrl-sci
Depolarizing-Field Effect in Strained Nanoscale Ferroelectric Capacitors and Tunnel Junctions
利用非线性热力学理论研究了退极化场对铁电电容器和隧道结中均匀极化的大小和稳定性的影响。据预测，在涉及应变外延膜和金属电极的异质结构中，均匀的极化状态可以保持稳定，对顺电相和多畴状态下到纳米级的转换。这一结果支持的可能性去极化场相关的电阻开关在铁电隧道结与不同的电极。在这样的结的电阻开/关比示出由在电极中的屏蔽空间电荷的倒易电容之间的差异。
2006-11-08 cond-mat.mtrl-sci
Ferroelectric Capped Magnetization in Multiferroic PZT/LSMO Tunnel Junctions
采用脉冲激光沉积技术在铁磁材料La 0.67 Sr 0.33 MnO 3（30 nm）上生长了自极化的超薄铁电PbZr 0.52 Ti 0.48 O3（PZT）薄膜（5 nm和7 nm），研究了极性覆盖对铁电隧道结（FTJ）器件磁化强度的影响. PZT/LSMO异质结厚极性PZT（7 nm）盖帽显示出近100%的增强磁化强度与薄极性PZT（5 nm）的薄膜相比，可能是由于过量的空穴从铁电铁磁层转移。芯能级X射线光电子能谱学研究表明，在7 nm极性封端的LMSO中存在较大的Mn 3s交换分裂和较高的Mn 3 +/Mn 4+离子比。
2015-03-27 cond-mat.mtrl-sci
Ferroelectric tunnel junctions
我的研究致力于功能氧化物的电子性质。我的活动特别集中在铁电隧道结，其中铁电材料的介电层插入两个金属电极之间。在这些器件中，极化反转引起隧道电阻的大的修改，导致信息的非破坏性读出。在用扫描探针显微镜技术演示了这个概念之后，我一直在探索各种铁电材料（BaTiO 3，BiFeO 3和PVDF）的铁电隧道结的特性。我表明，这些设备具有有吸引力的应用程序作为非易失性二进制存储器的属性。此外，探索极化通常通过畴的成核和传播而反转的事实，我证明了与铁电畴的非均匀配置相关的结中的忆阻行为。这种铁电忆阻器可以用作神经形态架构中的人工突触。耦合到磁性电极，所得到的多铁性隧道结使得能够在铁电/电极界面处的磁性和相关的自旋极化电流的非易失性控制。除了在隧道器件方面的主要活动之外，我还探索了铁电性对磁序和功能氧化物性质的影响。
2020-11-16 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Resonant Tunneling Magneto Resistance in Coupled Quantum Wells
本文研究了一种由稀磁半导体材料（ZnMnSe）形成的两个量子阱的三势垒共振隧穿结构，该材料的导带具有巨大的塞曼分裂。自洽的数值模拟的结构预测巨磁流的共振偏置制度，以及显着的电流自旋极化的一个相当大的范围内施加的偏压。
2006-06-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
CMOS back-end-of-line compatible ferroelectric tunnel junction devices
基于二氧化铪固溶体的铁电薄膜的铁电隧道结器件可以实现具有存储器和新兴计算方案（例如存储器内计算和神经形态应用）潜力的超低功率铁电器件的CMOS集成。在这项工作中，我们提出了铁电隧道结的基础上，铪$_{0.5}$锆$_{0.5}$ O $_{2}$的材料和工艺兼容的CMOS后端线集成。我们展示了基于W-Hf $_{0.5}$ Zr $_{0.5}$ O $_{2}$ -Al $_{2}$ O $_{3}$ -TiN堆叠的器件架构，其具有在400°C下的低温退火，其性能与在较高温度退火条件下获得的性能相当。
2021-08-24 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Nonvolatile Multilevel States in Multiferroic Tunnel Junctions
通过夹在两个铁磁电极之间的铁电夹层操纵隧穿自旋极化电子，称为多铁性隧道结（MFTJ），不仅可以通过两个铁磁体的磁性对准，而且可以通过铁电夹层的电极化的强度来实现，为下一代多态存储器器件提供了巨大的机会。在这里，我们表明，La0.67Sr0.33MnO3（LSMO）/PbZr0.2Ti0.8O3（PZT）/Co结构的MFTJ器件可以表现出多级电阻状态的存在下逐渐反转的铁电畴通过隧道电阻和隧道磁阻，分别。MFTJ中的非易失性铁电控制可以归因于PZT中间层中具有相反极化的两个独立铁电通道的单独贡献。我们的研究表明，“混合”铁电态的主导作用，实现累积的多层次的电阻状态在MFTJ的电调制，多功能器件的应用铺平了道路。
2019-10-04 cond-mat.mtrl-sci
Electron transport through asymmetric ferroelectric tunnel junctions: current-voltage characteristics
我们已经进行了计算的电流-电压特性的电子隧道电流通过一个薄的绝缘铁电势垒的结假设，界面传输的左，右接口显着不同，由于相异的接口。得到的电导与电压和电流与电压的曲线表现出很好的区别不对称滞后。我们发现，滞后效应的不对称性可能源于结内的不对称偏置电压分布。特别地，我们分析了当偏置电压分布对自发极化反转不敏感时发生的磁滞不对称性。
2010-01-03 cond-mat.mtrl-sci
Low voltage graphene interface engineered organic ferroelectric tunnel junction devices
本文通过界面层工程，在单层石墨烯上沉积超薄铁电薄膜制备铁电隧道结，实现了约0.8V的低压极化切换和显著的隧道电阻，解决了铁电材料低电压应用的障碍。
2025-01-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Large bias-dependent magnetoresistance in all-oxide magnetic tunnel junctions with a ferroelectric barrier
全氧化物磁性隧道结（MTJ）结合功能材料作为绝缘屏障有可能成为新型多功能器件的基础技术。利用第一性原理密度泛函理论研究了全氧化物SrRuO 3/BaTiO 3/SrRuO 3 MTJ器件的偏压依赖输运特性。这包括一个BaTiO 3的障碍，可以发现无论是在非铁性或铁电状态。在这样的MTJ中，不仅隧穿磁阻可以达到巨大的值，而且对于某些电压，其符号可以通过改变势垒电状态来改变。这些发现为新一代电控磁传感器铺平了道路。
2010-10-05 cond-mat.mtrl-sci
A phononic switch based on ferroelectric domain walls
铁电材料中的畴壁（DW）可以被写入和擦除的容易性提供了动态调制热通量的通用方式。在这项工作中，我们评估的热边界电阻（TBR）的180 $^{\circ}$ DW在原型铁电钙钛矿PbTiO $_3$内的非平衡分子动力学和非平衡格林函数的数值形式。一个很好的协议是获得一个孤立的DW来自这两种方法的TBR，这揭示了声子DW散射机制的谐波特性。示出的铁电材料的热阻增加到约20%，在这里考虑的系统尺寸，由于存在一个单一的DW，和更大的电阻可以通过合并更多的DW沿热通量的路径来实现。这些结果，在设备的工作温度下获得的，证明了基于铁电DW的电致动声子开关的可行性。
2017-10-04 cond-mat.mtrl-sci
Nonvolatile memory effects in hybrid devices of few-layer graphene and ferroelectric polymer films
我们报告的制造和电气特性的少层石墨烯（FLG）设备涂有铁电聚合物层的聚（偏二氟乙烯/三氟乙烯）[P（VDF/TrFE）]。在浮动条件下观察到高度稳定和可靠的电阻变化，这取决于预先施加的背栅电压。混合FLG-P（VDF/TrFE）器件中的非易失性存储器功能归因于由P（VDF/TrFE）层的铁电极化引起的反射电场。
2009-04-15 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Negative Differential Resistance and Ultra-High TMR in Altermagnetic Tunnel Junctions
School of Physics and CRANN Institute, Trinity College（三一学院物理与CRANN研究所）
研究揭示了交替磁隧道结在低偏压下出现显著负微分电阻及超高隧道磁电阻的现象，通过非平衡格林函数与密度泛函理论预测其非线性行为及应用潜力。
2026-05-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Tunnel Magneto-resistance in GaMnAs: going beyond Jullière formula
研究了GaMnAs/GaAlAs/GaMnAs结构中载流子自旋轨道相互作用强的情况下，隧道磁电阻（TMR）与自旋极化的关系.使用Landauer方法计算TMR。材料描述在6带$\bf {k}\cdot \bf{p}$模型，其中包括自旋轨道相互作用。铁磁性用虚晶平均场近似描述。我们的结果表明，TMR是自旋极化和势垒厚度的函数。由于强的自旋轨道相互作用，TMR还取决于电流方向与电极磁化方向之间的夹角。这些结果使Julliere公式的有效性受到影响。
2004-10-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Negative differential resistance in scanning tunneling microscopy: simulations on C$_{60}$-based molecular overlayers
我们确定的条件下，负微分电阻（NDR）出现在C $_{60}$为基础的分子器件[物理评论Lett. { \bf 100}，036807（2008）]通过从头算电子传输模拟。我们的计算允许访问偏置依赖的分子器件的固有特性，如电子能级和它们的部分宽度。我们表明，这些数量依赖于分子分子和分子电极的相互作用的设备。因此，可以通过使用这两种类型的相互作用修改电平和宽度的偏置行为来调谐NDR。
2011-01-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Gate-Tunable Tunneling Resistance in Graphene/Topological Insulator Vertical Junctions
基于石墨烯的垂直异质结构，特别是与其他层状材料相结合的堆叠，在纳米电子学方面很有前途。石墨烯和拓扑绝缘体这两种模型狄拉克材料的堆叠可以显著地扩大范德华异质结构的家族。尽管对这两种材料有了很好的了解，但是组合的垂直异质结的电子输运性质仍然是未知的。在这里，我们展示了Bi 2Se 3纳米片和单层石墨烯之间的垂直异质结的实验实现。在低温下，通过垂直异质结的电子输运由隧穿过程主导，该隧穿过程可以通过栅极电压有效地调节以改变费米表面附近的态密度。在磁场的存在下，量子振荡观察到由于量子化的朗道能级在石墨烯和二维表面状态的Bi 2Se 3。此外，我们观察到一个奇异的栅极可调隧道电阻下的高磁场，显示电阻最大值时，底层石墨烯成为量子霍尔绝缘体。
2016-03-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Active control of magnetoresistance of organic spin valves using ferroelectricity
有机自旋电子器件由于其载流子的长自旋寿命、低成本、灵活性和化学多样性而备受关注。在以前的研究中，有机自旋阀的电阻的控制通常是通过两个铁磁电极的磁化方向的对齐来实现的，从而产生磁阻。1在这里，我们采用了一种新的旋钮，通过在铁磁电极和有机间隔物之间添加薄的铁电界面层来调节有机自旋阀的电阻。我们发现，电阻不仅可以控制的两个铁磁电极的自旋对齐，但也由界面铁电层的电极化的强度：MR的自旋阀强烈地依赖于偏置电压的历史，这是与铁电层的极化; MR甚至改变符号时，铁电层的电极化的强度是反向的。这种新的可调谐性可以理解为铁电层的电偶极矩引起的铁磁电极和有机间隔物之间的相对能级对准的变化。这些发现使得能够使用电场和磁场来主动控制电阻，从而为多状态有机自旋阀开辟了可能性，并阐明了有机自旋阀中的自旋输运机制。
2014-02-10 cond-mat.mtrl-sci
Closed-loop electric currents and non-local resistance measurements with wide F/I/N tunnel contacts
横向自旋阀用于产生和表征纯自旋电流。在这种结构中测量的非局部电压提供了关于自旋极化和自旋衰减速率的信息。对于宽的高透明度F/N接触，它表明，约翰逊-Silsbee非局部效应是大大丰富的闭环电流驱动的本地自旋注入在电子悬挂部分的阀门。对于具有低透明度的F/I/N隧道接触的阀，这种圆形电流被强烈抑制，但我们表明，电压修改持续存在，可能是显着的，并且必须在数据分析中考虑。
2019-11-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Overcoming the Fundamental Barrier Thickness Limits of Ferroelectric Tunnel Junctions through BaTiO3/SrTiO3 Composite Barriers
铁电隧道结（FTJ）作为非易失性存储器的一种有前途的候选材料，吸引了越来越多的研究兴趣。近年来，通过对电极材料的改性，隧穿电阻（TER）得到了显著的增强。然而，通过修改隧道势垒的FTJ性能的直接控制还没有得到充分的探讨。在这里，增加了一个新的方向FTJ的研究，我们制作FTJ与钛酸钡单一的障碍（SB-FTJ）和钛酸钡/SrTiO 3复合屏障（CB-FTJ），并报告了FTJ性能的系统研究，通过不同的屏障厚度和组合物。对于SB-FTJ，TER受到明显的漏电流的限制，对于厚势垒和极小的隧穿电流。对于CB-FTJ，额外的SrTiO 3势垒提供了额外的自由度来调节势垒电位和隧穿行为。由此产生的高可调谐性可以用来克服势垒厚度限制，并提高整体CB-FTJ性能超过SB-FTJ。我们的研究结果揭示了一个新的范例，通过设计具有混合功能的多层隧穿势垒来操纵FTJ。
2017-07-22 cond-mat.mtrl-sci
Theoretical current-voltage characteristics of ferroelectric tunnel junctions
提出了铁电隧道结的概念。这些结由两个金属电极组成，它们被纳米厚的铁电屏障隔开。FTJ的电流-电压特性进行了分析的假设下，直接的电子隧穿是占主导地位的导电机制。首先，描述了铁电材料固有的逆压电效应对隧道电流的影响。计算结果表明，压电起源的晶格应变修改的电流-电压关系，由于应变引起的变化的势垒厚度，电子有效质量，和位置的导带边缘。值得注意的是，电导的最小值成为从零电压偏移由于压电效应，和应变相关的电阻开关发生后，在铁电势垒的极化反转。其次，我们分析了由于金属电极中电子对极化电荷的屏蔽不完全而产生的内部电场的影响。结果表明，对于非对称FTJ，这种去极化场效应也会导致极化反转后势垒电阻的显著变化。然而，所得到的电流-电压回路的对称性不同于应变相关电阻开关的特性。交叉从一个到另一个类型的滞后曲线，伴随着FTJ不对称性的增加，考虑到应变和去极化场的影响。注意，具有不同的顶部和底部电极的不对称FTJ对于非易失性存储器应用是优选的，因为具有较大的电阻开/关比。
2005-03-22 cond-mat.mtrl-sci
Temperature dependence of transport mechanisms in organic multiferroic tunnel junctions
具有多电阻态的有机多铁性隧道结（OMFTJ）由于其潜在的应用前景而受到广泛关注，如忆阻器和自旋电子学突触器件等。最近，通过电开关铁电体/铁电有机物界面的铁电极化，实现了铁电体对铁磁体/铁电有机物界面自旋极化的铁电控制。然而，仍然缺乏对OMFTJ中的输运性质的理解，特别是有机势垒中的铁电畴结构和自旋极化电子隧穿势垒之间的相互作用。在这里，我们报告的温度依赖的输运行为的系统研究在La0.6Sr0.4MnO3/PVDF/Co OMFTJ。结果表明，铁电畴的热涨落对铁电材料的输运性质有重要影响。当T> 120 K时，上下铁电极化态的电阻随温度的变化规律相反，导致隧道电阻（TER）迅速减小。这些结果有助于理解的输运性质，设计高性能的OMFTJ的忆阻器和自旋电子学应用。
2020-04-07 cond-mat.mtrl-sci
Theory of electrical spin injection: Tunnel contacts as a solution of the conductivity mismatch problem
提出了铁磁金属向正常导体注入电自旋的理论。我们发现，隧道接触（T）可以显着增加自旋注入和解决的FM金属和半导体微结构的电导率失配的问题。我们还提出了明确的表达式的自旋阀电阻的FM-T-N-和FM-T-N-T-FM结与隧道接触的接口，并表明，电阻包括积极和消极的贡献（Kapitza电阻和注入电导率，分别）。
2000-10-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Giant Resistance Switch in Twisted Transition Metal Dichalcogenide Tunnel Junctions
本文预测扭转过渡金属二硫化物隧道结中基于相对自旋轨道分裂的巨电阻开关，量子输运计算显示开关电阻可达10^6%，并可在室温下工作，为下一代存储和电子应用提供新途径。
2023-11-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Current induced resistance change of magnetic tunnel junctions with ultra-thin MgO tunnel barriers
制备了具有低阻MgO隧道势垒的超薄磁性隧道结，研究了其在大电流应力下的稳定性。该器件显示出高达110%的磁阻比和低至4.4欧姆微米平方的面积电阻积。如果施加大电流，则观察到可逆的电阻变化，这可以归因于应力期间的两个不同过程和之后的一个弛豫过程。在这里，我们分析了电阻的时间依赖性，并使用一个简单的模型来解释所观察到的行为。为了量化所涉及的现象的时间尺度，对数据的数值拟合进一步支持了这一解释。
2008-07-28 cond-mat.mtrl-sci
Two-dimensional antiferroelectric tunnel junction
铁电隧道结（FTJ）是由两个金属电极通过一个薄的铁电势垒分隔而成的，近年来作为纳米级电阻开关器件引起了人们极大的兴趣。到目前为止，大多数现有的FTJ都是基于钙钛矿氧化物阻挡层。最近发现的二维范德华铁电材料为实现具有新功能和纳米尺度的隧道结开辟了一条新的途径。由于这些材料中原子层之间的弱耦合，它们之间的相对偶极排列可以通过施加电压来控制。这允许铁电和反铁电有序之间的过渡，导致电子结构的显着变化。在这里，我们建议实现二维反铁电隧道结（AFTJ），利用这种新的功能，双层在$_2$ X $_3$（X = S，Se，Te）的障碍和不同的二维电极的基础上。使用第一性原理密度泛函理论计算，我们表明，在$_2$ X $_3$双层膜表现出稳定的铁电和反铁电状态分离的相当大的能量障碍，从而支持这些状态之间的非易失性切换。利用量子力学模型的电子输运，我们探讨了在平面和平面外的隧道穿过在$_2$ S $_3$范德华双层，并预测巨隧穿电阻（TER）效应和多个非易失性电阻状态驱动的铁电-反铁电顺序转变。我们的建议开辟了一条新的路线，实现纳米级存储器件的存储密度为2D AFTJ。
2021-01-08 cond-mat.mtrl-sci
Unraveling ferroelectric polarization and ionic contributions to electroresistance in epitaxial Hf0.5Zr0.5O2 tunnel junctions
基于铁电Hf0.5Zr0.5O2（HZO）势垒的隧道器件为新兴的数据存储和计算技术带来了巨大的希望。器件的电阻状态可以通过适当的写入电压来改变。然而，导致电阻变化的微观机制是铁电极化控制的阻挡特性和缺陷相关的传输机制之间的复杂的相互作用。这里显示的HZO膜的微观结构设置这些贡献之间的平衡的基本作用。氧化膜呈现出相干或非相干的晶界，与HZO膜中的单斜和正交相的存在相关联，这取决于与外延生长的衬底的失配。这些晶界是切换，其允许在仅存在正交相时获得大的（高达450%）和完全可逆的真正极化控制的电阻，或者在两相共存时获得不可逆的和极大的（1000- 100000%）电阻。
2020-06-12 cond-mat.mtrl-sci
Comment on ``Elastic Stabilization of a Single-Domain Ferroelectric State in Nanoscale Capacitors and Tunnel Junctions" [N.A. Pertsev and H. Kohlstedt, Phys. Rev. Lett. 98, 257603 (2007).]
在最近的一封信中[N. A. Pertsev和H. Kohlstedt，Phys. Rev. Lett. 98，257603（2007）]作者声称“甚至纳米级电容器和隧道结也可以具有足以用于存储器应用的面外极化。“在这里，我们以一种基本的方式表明，这个结论并没有被他们的计算所证实，他们应该在他们的近似值中得出相反的结论。
2007-09-27 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Giant Tunneling Electroresistance Effect Driven by an Electrically Controlled Spin Valve at a Complex Oxide Interface
利用铁电势垒与磁性La_（1-x）Sr_xMnO_3电极界面的磁电效应，在铁电隧道结中可以实现巨隧穿电阻效应。使用第一性原理密度泛函理论，我们证明了一些磁性单层的La 1-xSrxMnO 3的界面附近的行为，在响应铁电极化反转，作为一个原子尺度的自旋阀通过过滤自旋相关的电流。这种效应产生电导的一个数量级以上的变化，因此构成了巨大的阻变效应。
2011-04-01 cond-mat.mtrl-sci
Hafnia-based Double Layer Ferroelectric Tunnel Junctions as Artificial Synapses for Neuromorphic Computing
基于铪锆氧化物（Hf 1-xZrxO 2; HZO）的铁电隧道结（FTJ）在未来的应用中是一个很有前途的候选者，例如低功耗存储器和神经形态计算。隧道电阻（TER）是可调的，通过极化状态的HZO膜。为了规避在1-3 nm范围的隧穿范围内制造薄铁电HZO层的挑战，使用夹在两个对称金属电极之间的铁电/电介质双层。由于铁电极化存储层和具有较高带隙的介电隧穿层的去耦，获得了两个极化状态之间的显著TER比。通过利用先前报道的开关行为和电阻的逐渐可调性，FTJ可以用作尖峰神经网络中神经形态计算的突触仿真的潜在候选者。示出了突触的两个主要组成部分的实现：通过改变施加到人工FTJ突触的电压脉冲的幅度/宽度/数量的长期抑制/增强，以及通过在每个电极处施加时间延迟的电压的尖峰定时依赖性可塑性曲线。这些实验结果显示了尖峰神经网络和神经形态计算的潜力，可以用基于神经网络的FTJ来实现。
2021-07-02 cond-mat.mtrl-sci cs.ET physics.app-ph
Enhancement of ferroelectric performance in PVDF:Fe3O4 nanocomposite based organic multiferroic tunnel junctions
报道了以聚偏氟乙烯（PVDF）：Fe3O4纳米复合材料为有机阻挡层的有机多铁性隧道结（OMFTJ）的制备。通过将Fe3O4纳米粒子加入到PVDF阻挡层中，我们发现，与纯PVDF阻挡层相比，OMFTJ的铁电性能得到了显著改善。它可以导致在10K和室温（RT）下约450%和100%的隧穿电阻（TER），这远高于纯PVDF基器件的隧穿电阻（TER）（在10K下70%和室温下7%）。基于PVDF：Fe3O4纳米复合材料的OMFTJ可以通过纳米颗粒的磁性与有机屏障的铁电性的相互作用在智能多铁性器件中开辟新的功能。
2020-04-07 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Blocking of conducting channels widens window for ferroelectric resistive switching in interface-engineered Hf0.5Zr0.5O2 tunnel devices
Hf0.5Z0.5O2（HZO）薄膜含有晶界网络。例如，在（001）SrTiO 3上的（111）HZO外延膜中，孪晶正交（o-HZO）铁电微晶与o-HZO和残余顺电单斜（m-HZO）相之间的晶界共存。除了真正的铁电极化切换之外，这些晶界还有助于电阻切换响应，并且对器件性能具有不利影响。在这里，它示出，通过使用合适的纳米覆盖层沉积在HZO膜上，可以实现隧道器件的操作窗口的根本改善。结晶SrTiO 3和非晶AlOx探索作为覆盖层。据观察，这些层保形地涂覆HZO表面，并允许增加功能铁电结的产量和均匀性，同时加强耐久性。数据表明，覆盖层阻止离子类传输通道跨越晶界。这表明，他们作为氧供应商的吸氧剂在HZO晶界。在这种情况下，可以设想，这些和其他氧化物也可以探索和测试完全兼容的CMOS技术。
2020-06-12 cond-mat.mtrl-sci
Polarization and resistive switching in epitaxial 2 nm Hf$_{0.5}$Zr$_{0.5}$O$_2$ tunnel junctions
在寻求可靠且功率高效的忆阻器件的过程中，铁电隧道结作为潜在的候选者被研究。CMOS兼容的铁电铪氧化物处于最前沿。然而，在厚度约为${\approx}$ 4 - 6 nm的外延隧道器件中，相对高的隧道能量势垒产生了挑战其实现的大电阻。在这里，我们表明，铁电和电阻开关可以观察到在1.2纳米外延铪$_{0.5}$锆$_{0.5}$ O $_2$（HZO）隧道结在大面积电容器（${\approx} 300μm^2$）。我们观察到，对于OFF和ON电阻状态，电阻面积积分别减小到约160 $Ω{\cdot}$ cm $^2$和65 $Ω{\cdot}$ cm $^2$。这些值比在等效5 nm HZO隧道器件中获得的值小两个数量级，同时保持类似的关/开电阻比（210 ${\%}$）。该器件表现出忆阻和尖峰定时依赖可塑性（STDP）行为和良好的保持力。电阻和铁电回路紧密重合，表明铁电开关是电阻变化的驱动机制。
2021-08-23 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Proposal for semiconductor-free negative differential resistance tunnel diode with ultra-high peak-to-valley current ratio
负微分电阻（NDR）隧道二极管是有前途的替代器件的超CMOS计算，因为它们提供了几个潜在的应用时，与晶体管集成。我们提出了一种新的无阻NDR隧道二极管的概念，具有超高的峰谷电流比（PVCR）值。我们提出的负阻二极管由两个冷金属电极组成，由一个薄的绝缘隧道势垒隔开。NDR效应源于冷金属电极的独特电子能带结构，即，费米能级周围的隔离金属带的宽度以及分隔较高和较低能带的能隙确定隧道二极管的电流-电压（$I$ - $V$）特性和PVCR值。通过适当选择冷金属电极材料，可以获得传统的N型或$Λ$型NDR效应。二维（2D）材料为实现所提出的NDR隧道二极管提供了独特的平台。为了证明概念的证明，我们采用非平衡格林函数方法结合密度泛函理论来计算基于2D冷金属的横向（Al I $_2$ /Mg I $_2$ /Al I $_2$）和垂直（NbS $_2$ /h-BN/NbS $_2$）异质结隧道二极管的$V$特性。对于横向隧道二极管，我们获得了$Λ$型NDR效应，在室温下具有10 $^{16}$的超高PVCR值，而垂直隧道二极管表现出常规N型NDR效应，具有约10 $^4$的较小PVCR值。所提出的概念为NDR器件提供了一种无阻容器的解决方案，以实现具有超高PVCR值的期望的$I$ - $V$特性，用于存储器和逻辑应用。
2022-10-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
InGaN/GaN Tunnel Junctions For Hole Injection in GaN Light Emitting Diodes
使用等离子体辅助分子束外延在InGaN/GAN蓝色（450 nm）发光二极管晶片的顶部上生长InGaN/GAN隧道结接触。隧道结接触实现了低扩展电阻n-GaN顶部接触层，从而在表面上需要较少的顶部金属接触覆盖。在100 mA时，隧道结LED的压降为5.3 V，正向电阻为2 × 10-2 Ω cm ~ 2，光输出功率较高。在GAN PN结器件上的MBE生长隧道结中测量到5 × 10-4欧姆cm 2的低电阻，表明隧道结LED器件电阻受再生长界面限制，而不受本征隧穿电阻限制。
2014-03-16 cond-mat.mtrl-sci
