News:
负微分电阻新解—— 极化翻转诱导电荷注入及俘获


P. L. Li, Z. F. Huang, Z. Fan(樊贞), H. Fan, Q. Y. Luo, C. Chen, D. Y. Chen, M. Zeng, M. H. Qin, Z. Zhang, X. B. Lu, X. S. Gao(高兴森), and J.-M. Liu(刘俊明)


An Unusual Mechanism for Negative Differential Resistance in Ferroelectric Nanocapacitors: Polarization Switching-Induced Charge Injection Followed by Charge Trapping


ACS Applied Materials & Interfaces 9, 27120-27126 (2017)


一般金属甚至是半导体体系,其电流I-电压V关系可以是线性或者非线性的,但定性而言电压增大其电流总会是增大的,不可能不增反减。这是常识。所谓负微分电阻(negative differential resistance, NDR),就是电压增大其电流反而减小。由欧姆定律中电阻的微分表达式:R=d V/d I可知,此时电阻实际上是负的,即得称谓。


图1. NDR效应及交流放大器结构与性能。
[https://www.st-andrews.ac.uk/~www_pa/Scots_Guide/RadCom/part5/page1.html]

利用NDR效应可制造交流放大器,DC-AC 功率转换器,高频振荡电路等。比如,图2展示一种简单的利用NDR放大交变信号的原理图,该电路所能够提供的交流电压增益为:

Vout/Vin = R/[R+(-r)]



图2. 一种简单的利用NDR效应的交流放大器原理。
[http://blog.163.com/xmx028@126/blog/static/1316460712010111164949836]

目前已发现许多材料都具有NDR效应,如硅异质结、金属氧化物异质结、半导体量子点、有机高分子纳米复合材料。除了传统硅异质结NDR器件外,大部分材料中的NDR效应可重复性差,主要原因在于这里的NDR与以下一种或多种机制相关:氧化还原反应、导电细丝生成与断裂、缺陷电荷俘获与去俘获。

这几种机制的最大问题是很难进行可靠操控。也就是说:基于这些机制的NDR效应有一定的随机性和不确定性。毫无疑问,一种新功能如果预期是不确定的,那就不叫新功能。这种不确定性有其内在的根源,也因此这些材料中的NDR就像镜中花水中月,一直未能获得世人青睐。也因为如此,如果能找到一种较为可靠的实现途径或者操控方式,NDR也许能使得其所和名副其实。


图3. MFM三明治结构中的界面问题。
[https://www.nature.com/articles/srep18297]

基于前人的工作,我们可以从金属-铁电体-金属(MFM)三明治结构中寻找灵感,如图1所示。众所周知但明面上大家拒不承认的一个事实是:在金属-铁电体界面附近总存在一层很薄且介电常数很小的死层(绝缘层),而死层边的界面处存在大量缺陷(如氧空位)。这些缺陷为电荷捕获与去捕获提供了有利条件。铁电体电极化翻转,会在死层-铁电层之间产生极化束缚电荷,这些电荷将在死层内产生较大的静电场(~7 MV/cm)。显然,该电场将会改变界面势垒,诱导电荷注入或脱离死层与金属电极界面处的缺陷位置。

我们设想,如果能够利用铁电极化翻转瞬间,实现界面处电荷注入,等效于电流突然增大,随后由于电荷俘获导致势垒增加从而迅速压制后续电流。这一过程等效于随着施加于铁电层上的电压增大,MFM两段释放出来的电流伴随极化翻转而快速增加,随后又迅速下降,即产生NDR效应。上述过程中,极化翻转诱导电荷注入及紧接着的电荷俘获两大要素缺一不可,且极化翻转电压(矫顽场)大致决定了NDR电流峰所对应电压。通过这样的方式控制器件的NDR效应,应该是一种很奇妙的方案,至少能够提高器件可靠性。

值得注意的是,前人在铁电材料中已观测到NDR效应,但NDR电流峰位置与极化翻转电压之间没有关联。之前提出的机制如极化弛豫、电荷俘获与去俘获、受扩散控制的电荷输运、带间隧穿等均不同于本工作提出的机制。

本次工作中,我们制备了Au/BiFe0.6Ga0.4O3 (~20 nm)/Ca0.96Ce0.04MnO3的纳米阵列,并测试其铁电性和NDR效应等性能。实验表明,该样品的NDR电流峰位置具有很好的重复性,并能与BiFe0.6Ga0.4O3极化翻转电压很好吻合,跟我们的设想相符。进一步地,通过单极性电压扫描方式,我们证明NDR效应与极化翻转有紧密关联。最后,疲劳测试和保持性测试表明,器件具有远超1000次的工作寿命和远超30min以上的保持时间。我们相信,通过优化材料铁电性和界面性能(如肖特基势垒高度、界面层厚度、缺陷密度),可以进一步提高器件性能。本工作提出了一种基于铁电材料的NDR器件,为研制高可靠性NDR器件提供一些思路。

(撰稿人:李培炼、樊贞)

Negative differential resistance (NDR) has been extensively investigated for its wide device applications. However, a major barrier ahead is the low reliability. To address the reliability issues, we consider ferroelectrics and propose an alternative mechanism for realizing the NDR with deterministic current peak positions, in which the NDR results from the polarization switching-induced charge injection and subsequent charge trapping at the metal/ferroelectric interface. In this work, ferroelectric Au/BiFe0.6Ga0.4O3 (BFGO)/Ca0.96Ce0.04MnO3 (CCMO) nanocapacitors are prepared, and their ferroelectricity and NDR behaviors are studied concurrently. It is observed that the NDR current peaks are located at the vicinity of coercive voltages (Vc) of the ferroelectric nanocapacitors, thus evidencing the proposed mechanism. In addition, the NDR effect is reproducible and robust with good endurance and long retention time. This study therefore demonstrates a ferroelectric-based NDR device, which may facilitate the development of highly reliable NDR devices.


图4. 左图:Au/BFGO/CCMO纳米电容器阵列示意图;右图:半对数坐标下纳米电容器的I-V特性曲线与PFM相位滞回曲线,NDR电流峰值与极化翻转电压对应较好。

URL: