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Ferroelectric Tunnel Junctions Enhanced by a Polar Oxide Barrier Layer

铁电性 材料科学 图层(电子) 阻挡层 氧化物 极地的 隧道枢纽 光电子学 纳米技术 量子隧道 电介质 物理 冶金 天文
作者
Qiong Yang,Lingling Tao,Yuke Zhang,Ming Li,Zhen Jiang,Evgeny Y. Tsymbal,Vitaly Alexandrov
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:19 (10): 7385-7393 被引量:42
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.9b03056
摘要

Ferroelectric tunnel junctions (FTJs) have recently aroused significant interest due to the interesting physics controlling their properties and potential application in nonvolatile memory devices. In this work, we propose a new concept to design high-performance FTJs based on ferroelectric/polar-oxide composite barriers. Using density functional theory calculations, we model electronic and transport properties of LaNiO3/PbTiO3/LaAlO3/LaNiO3 tunnel junctions and demonstrate that an ultrathin polar LaAlO3(001) layer strongly enhances their performance. We predict a tunneling electroresistance (TER) effect in these FTJs with an OFF/ON resistance ratio exceeding a factor of 104 and ON state resistance as low as about 1 kΩμm2. Such an enhanced performance is driven by the ionic charge at the PbTiO3/LaAlO3 interface, which significantly increases transmission across the FTJ when the ferroelectric polarization of PbTiO3 is pointing against the intrinsic electric field produced by this ionic charge. This is due to the formation of a two-dimensional (2D) electron or hole gas, depending on the LaAlO3 termination being (LaO)+ or (AlO2)−, respectively, which is formed to screen the polarization charge of the nonuniform polarization state. This 2D electron (hole) gas can be switched ON and OFF by the reversal of ferroelectric polarization, resulting in the giant TER effect. The proposed design suggests a new direction for creating FTJs with a stable and reversible ferroelectric polarization, a sizable TER effect, and a low-resistance-area product, as required for memory applications.
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