聚合物铁电隧道结的电子隧穿机制研究

采用Langmuir-Blodgett技术生长聚偏二氟乙烯和三氟乙烯共聚物[P(VDF-TrFE)]超薄膜，利用这种薄膜的二维铁电性，制备铁电层厚度小于3nm、具有良好铁电性，并能够实现电子隧穿的铁电隧道结固态器件。通过测量器件的铁电性和电流电压特性，研究铁电极化指向左或右电极的两个状态下，非对称电极在铁电层中产生的退极化场、金属电极/铁电薄膜界面状态等对电子隧穿输运过程的影响。在此基础上深入理解隧穿电致电阻效应产生的物理机制，为制备实用型铁电隧道结提供理论和实验依据。

使用不同电极材料制备了以厚度范围在2-6nm的二元聚偏二氟乙烯（PVDF）铁电材料作为势垒层的铁电隧道结。通过对器件铁电、介电性质测量，证明超薄势垒层具有铁电性。对器件电流电压关系的测量表明，以Pt, Au，Al和镍酸镧等作为电极材料的器件中，只在具有镍酸镧/PVDF/铝结构的器件观察到明显的电致阻变效应，其开关比在室温下大于100倍，低温80K达到1000倍，开关次数大于200次。测量器件高阻态或低阻态在某个电压下电流随温度的变化规律，证明电子在器件中的输运过程符合Mott定律，是非弹性变程跃迁过程而非直接隧穿过程。这一结果表明目前的器件中界面缺陷密度高和势垒层太厚导致电子无法直接隧穿。想要观察到与电子直接隧穿相关的物理过程，还需要进一步改进样品。利用压电力显微技术对器件局域压电性质和电流电压关系的测试观察到器件开关电压与势垒层矫顽场不一致，说明了铁电剩余极化方向的变化不是引起阻变效应的本征原因，而是与所选电极材料的性质密切相关，在以镍酸镧（LNO）和铝为两边电极的器件中Ni原子的变价可能是导致阻变效应的起源，与势垒层铁电性关系有待于进一步研究。在没有势垒层的镍酸镧/铝体系中发现阻变效应在国际范围内未见报道。研究结果对于阻变器件的研制和应用，聚合物铁电材料隧道结器件的制备和应用具有指导意义。