【儀表網 研發快訊】自旋閥是一類通過調控鐵磁層中自旋取向實現電阻調制的多層薄膜器件，通常由交替堆疊的鐵磁性與非磁性金屬層構成，為高集成度、高性能自旋電子技術的發展提供了關鍵支撐，在磁存儲、磁傳感及自旋電子學等領域展現出重要應用價值。鑒于鐵電性與鐵磁性在物理概念與宏觀響應行為上具有高度類比性，構建一種結構類比自旋閥、可通過調控相鄰鐵電層極化方向來實現電阻調控的“鐵電閥”(Ferroelectric Valve)器件，具有重要的科學意義與應用前景。
近日，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心材料顯微科學研究部陳春林研究員團隊創新性地設計出一種由鐵電層/導電層/鐵電層構成的三明治型鐵電閥結構，并系統研究了其在鐵電層極化平行與反平行兩種構型下的原子尺度界面結構、局域電子結構及電阻態特性。相關研究成果以“Design of Ferroelectric Valve: A Spin-Valve-Analogous Structure for Modulating Electrical Resistance”為題發表于Advanced Materials雜志上。金屬所喬貝貝博士、孫子益(23級博士研究生)及張盛(25級博士研究生)為論文共同第一作者，陳春林研究員、姚婷婷研究員及江亦瀟副研究員為論文共同通訊作者。
研究團隊采用脈沖激光沉積技術成功構筑了LaTiO3.5/m-LaTiO3/LaTiO3.5多層異質結構鐵電閥，其中中間導電層m-LaTiO3的厚度精準調控在3至6個原子層范圍內。結合像差校正掃描透射電子顯微學表征與第一性原理計算的協同分析，研究人員系統揭示了該鐵電閥在平行與反平行極化構型下的界面原子排列、極化耦合機制及能帶演化規律。結果表明：在反平行極化構型下，導電層帶隙顯著減小，載流子濃度明顯升高，器件整體導電能力顯著優于平行極化構型。同時，反平行極化誘導的界面電荷重分布與軌道雜化效應導致LaTiO3層中Ti原子的3d t2g軌道退簡并，進而引發顯著的面內電導各向異性。增大中間導電層厚度，可有效提升器件整體電導率。通過外場調控兩側鐵電層的極化取向，可靈活切換中心LaTiO3層的電阻狀態及其導電易軸，從而實現對器件電阻的非易失性、多態調控。
本工作首次提出“鐵電閥”的概念，并在實驗上實現了該類異質結構的可控構筑，闡明了其基于極化構型依賴的界面電子重構所驅動的電阻調制物理機制，為新型鐵電功能器件的設計、優化與集成提供了堅實的材料平臺與理論依據。尤為值得關注的是，LaTiO3.5具有超過1500K的居里溫度，且與LaTiO3之間具備優異的晶格匹配性與外延兼容性，所構建的異質結構展現出優異的晶體完整性、原子級平整的界面質量以及出色的高溫結構穩定性，有望應用于高溫電子器件等嚴苛應用場景。作為一項原創性器件概念，“鐵電閥”為后摩爾時代多功能、低功耗信息器件的發展開辟了全新技術路徑。
此外，課題組前期在該類異質結構中的研究表明，通過元素摻雜可實現導電類型(n型至p型)的連續調控，為進一步拓展器件電學性能的可編程性與功能多樣性提供了更廣闊的前景。相關研究結果以“Strain-Induced Gradient Distribution of Dopants at a Perovskite Interface”為題發表于Nano letters雜志上并入選了扉頁論文。
本研究獲得國家自然科學基金項目及廣東省基礎與應用基礎研究重大項目等多項資助。
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