Atomic-scale fatigue mechanism of ferroelectric tunnel junctions

铁电性 材料科学 成核 原子单位 光电子学 钙钛矿(结构) 纳米技术 隧道枢纽 凝聚态物理 化学 结晶学 量子隧道 电介质 物理 量子力学 有机化学
作者
Yihao Yang,Ming Wu,Xingwen Zheng,Chunyan Zheng,Jibo Xu,Zhiyu Xu,Xiaofei Li,Xiaojie Lou,Di Wu,Xiaohui Liu,Stephen J. Pennycook,Zheng Wen
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:7 (48) 被引量:33
标识
DOI:10.1126/sciadv.abh2716
摘要

Ferroelectric tunnel junctions (FTJs) are promising candidates for next-generation memories due to fast read/write speeds and low-power consumptions. Here, we investigate resistance fatigue of FTJs, which is performed on Pt/BaTiO3/Nb:SrTiO3 devices. By direct observations of the 5–unit cell–thick BaTiO3 barrier with high-angle annular dark-field imaging and electron energy loss spectroscopy, oxygen vacancies are found to aggregate at the Pt/BaTiO3 interface during repetitive switching, leading to a ferroelectric dead layer preventing domain nucleation and growth. Severe oxygen deficiency also makes BaTiO3 lattices energetically unfavorable and lastly induces a destruction of local perovskite structure of the barrier. Ferroelectric properties are thus degraded, which reduces barrier contrast between ON and OFF states and smears electroresistance characteristics of Pt/BaTiO3/Nb:SrTiO3 FTJs. These results reveal an atomic-scale fatigue mechanism of ultrathin ferroelectric barriers associated with the aggregation of charged defects, facilitating the design of reliable FTJs and ferroelectric nanoelectronic devices for practical applications.
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