Tunnel electroresistance in BiFeO3 junctions: size does matter

铁电性 材料科学 电场 极化(电化学) 隧道枢纽 凝聚态物理 非易失性存储器 光电子学 记忆电阻器 电极 电介质 量子隧道 电子工程 化学 物理 物理化学 工程类 量子力学
作者
Sören Boyn,A. M. Douglas,C. Blouzon,Patrick W. Turner,A. Barthélémy,Manuel Bibès,S. Fusil,J. M. Gregg,Vincent Garcia
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:109 (23) 被引量:28
标识
DOI:10.1063/1.4971311
摘要

In ferroelectric tunnel junctions, the tunnel resistance depends on the polarization orientation of the ferroelectric tunnel barrier, giving rise to tunnel electroresistance. These devices are promising to be used as memristors in neuromorphic architectures and as non-volatile memory elements. For both applications, device scalability is essential, which requires a clear understanding of the relationship between polarization reversal and resistance change as the junction size shrinks. Here we show a robust tunnel electroresistance in BiFeO3-based junctions with diameters ranging from 1200 to 180 nm. We demonstrate that the tunnel electroresistance and the corresponding fraction of reversed ferroelectric domains change drastically with the junction diameter: while the micron-size junctions display a reversal in less than 10% of the area, the smallest junctions show an almost complete polarization reversal. Modeling the electric-field distribution, we highlight the critical role of the bottom electrode resistance which significantly diminishes the actual electric field applied to the ferroelectric barrier in the mixed polarization state. A polarization-dependent critical electric field below which further reversal is prohibited is found to explain the large differences between the ferroelectric switchability of nano- and micron-size junctions. Our results indicate that ferroelectric junctions are downscalable and suggest that specific junction shapes facilitate complete polarization reversal.
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