铁电极化调控有机铁电隧道结阻变的研究

Ferroelectric tunnel junctions (FTJs) consist of a nanometer-thick ferroelectric film sandwiched between two metal electrodes, switching the polarisation of an ultrathin ferroelectric barrier sandwiched between two electrodes modulates the junction resistance, giving rise to giant tunnel electroresistance (TER). FTJs are therefore used for information storage, and the non-destructive resistive readout of FTJs is expected to overcome the scalability issues that traditional ferroelectric memories face. Recently, based on organic ferroelectric polymer, we demonstrated an organic FTJs solid device which largely reduce costs and make it possible to be used for rollable or wearable devices. Based on high resolution conductive atomic force microscopy (C-AFM) and piezoelectric force microscopy (PFM) techniques, this project intends to carry out research on the effect of polarization on resistive switching in organic FTJs, aiming to understand the dynamic physical process of TER regulated by ferroelectric polarization, clarify its physical mechanism, and realize the functional demonstration of organic FTJs applied to data storage.

铁电隧道结（FTJs）是由仅几个纳米厚度的铁电薄膜夹在两个金属电极之间构成。通过外加电场调控两个电极之间的铁电层的极化状态可以导致整个隧道结电阻的变化，从而实现巨隧穿电致阻变效应（TER）。因此FTJs被用于信息存储，并且FTJs的非破坏性的电阻式读出有望克服传统铁电存储面临的可扩展性问题。最近，我们实现了基于有机铁电聚合物的有机FTJs固态器件，可降低制备成本和用于柔性可穿戴电子设备制备。本项目拟借助高分辨导电原子力显微技术（C-AFM）和压电力显微技术（PFM）开展有机FTJs中铁电极化调控阻变的研究，理解铁电极化调控TER的动态物理过程，阐明铁电极化调控隧穿电阻的物理机制，实现有机FTJs应用于数据存储的原理性功能演示。

随着现代信息社会的高速发展，数据量呈现指数增长态势，因此在能源效率和运行速度层面对以处理数据为中心任务的硬件系统和体系架构提出了更高的要求。发展新型“存算一体化”神经形态器件，对突破“冯·诺依曼瓶颈”和构建高效能计算机具有重要意义[Nat. Mater. 18, 309, (2019)]。申请人的前期工作中，实现了铁电极化调控的直接量子隧穿的隧道结阻变器件[Nat. Commun. 7, 11502, (2016)]。这为发展基于铁电存储的神经网络芯片进而实现存算一体化和神经形态计算提供了一种潜在方案。.通过本项目的实施，项目负责人实现铁电聚合物与低维半导体的范德瓦尔斯界面，证实了铁电聚合物薄膜的铁电畴在半导体接触界面可以提供达到GV/m的强局域电场，利用该局域场成功实现对低维半导体载流子浓度和类型进行调控；揭示了在低维半导体不完美屏蔽情况下铁电聚合物的铁电极化随着外加电场脉冲激励下的动力学行为，阐明了铁电极化对器件电导的调控机制。进一步利用铁电极化的多态效应和铁电极化的反转动力学，成功研制出高性能、有国际竞争力的超低功耗、抗疲劳性优异固态铁电电子突触器件。发表标注受本项目资助的SCI论文8篇，其中包括1篇自然子刊Nat. Electron.和2篇电子类旗舰期刊Adv. Electron. Mater.。申请专利7项，其中2项已经授权。.本项目的实施进一步揭示了铁电材料应用于类脑突触器件的新用途和巨大潜力，为基于铁电神经形态器件构建实现神经网络阵列提供了基础。