光物理重点实验室L03组
一种新型光诱导室温非破坏性铁电薄膜记忆读取方法

一种新型光诱导室温非破坏性铁电薄膜记忆读取方法

钙钛矿氧化物低维体系的光、电多场调控是未来新一代多功能器件的基础。铁电材料在室温下可以存在两种稳定的极化状态。由于其外加电场对极化状态的改变操作方便,操作区域小(纳米尺度),能耗低。利用铁电材料做成的铁电随机存储器(FeRAMs)在信息存储领域被寄予厚望。然而,现有的 FeRAMs 所用的波坏性信息读取方式(利用外加脉冲电压,测量极化反转电流从而读取极化信息。)大大制约了FeRAMs的发展。磁存储器可以非破坏性的读出表面磁场的变化从而读取信息,而铁电表面电信号却不能利用读取信息,主要的发展瓶颈是由于屏蔽电荷扩散导致的不同极化区域表面电势差会随着时间逐渐减小

   中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)光物理实验室金奎娟和杨国桢小组,长期从事于激光与多铁性氧化物薄膜相互作用的研究,首次通过激光场的引入,使得铁电薄膜不同极化区域表面电势差获得的极大的增强和恢复,在光场调控下的铁电薄膜非破坏性读取方面取得了最新进展。王乐和顾俊星等同学利用激光分子束外延设备成功制备了室温下具有优良铁电极化性质的外延多铁性BiFeO3(BFO)薄膜,和物理所谷林研究员合作利用先进的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM),万骞同学等在上海同步辐射光源X射线衍射谱的获得,证明了其具有良好的类菱方(rhombohedral-like)相的外延性。 他们结合压电响应力显微镜(piezoresponse force microscopy) 和开尔文探针力显微镜技术,观测到了与铁电极化状态一致对应的表面电势差分布信号。外加电场写入的不同极化区域,表面的电势差信号随着时间逐渐减弱,直至14小时后几乎无法分辨不同极化区域表面电势的差别。通过独特设计,引入一束能量大于BiFeO3禁带宽度的激光(375nm),巧妙地在光生载流子重新分布下,使探测到的不同极化区域表面电势差瞬间得以恢复,从而可以再次通过清晰的表面电势信号分辨出了不同的极化区域,成功的实现了光协助下的对铁电极化信号的非破坏性读取。何旭和马超等同学还通过自洽计算的方法,通过构建了光照前后表面电势变化的理论模型,从理论上进一步揭示了极化电场下,光生电荷运动和重新分布导致不同极化区域表面势得以瞬间恢复的内在机制。该工作得益于美国路易斯安娜大学张见地教授的诸多有益探讨和具体合作,该研究结果被发表在Scientific Reports 4, 6980 (2014)。文章链接:http://www.nature.com/srep/2014/141110/srep06980/pdf/srep06980.pdf

相关工作得到了国家重大研究计划2014CB921000, NO. 2012CB921403,国家自然科学基金项目Nos.11134012, 11174355, 以及科学院B类先导专项课题 (No. XDB07030200)的支持。

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(a)和(b)分别为18 nm 以及50 nm BiFeO3表面电势分布图。黑线、虚线、蓝线分别代表:刚写入电畴、15小时后,以及照光时三个状态下的表面电势分布。(c)和(d)分别是不同极化区域表面电势差随着时间和光照功率的变化。实线为利用指数函数拟合的变化曲线。

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(a)50 nm 薄膜上极化的面外PFM相位图. (b)-(d)为无光照和光照时的样品表面电势分布。(e)(b)-(d)中表面电势数值分布。(f)为电势差随时间的变化。“on”和“off”分别代表照光和不照光的状态。实线为利用指数函数的拟合曲线。

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(a)-(c)分别为材料内部,初始态、向下极化、向上极化状态下的能带示意图。(d)为理论模拟中屏蔽电荷密度分布图。(e)为计算得到的不同状态下电势分布。(f)为计算得到的电势变化与实验结果的对比图。


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