Science Advances: 非易失性铁电畴壁原型存储器问世
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引言
实现高密度、非易失性、高速度、非破坏性读取的数据存储器，一直是当今高科技发展中的研究热点。著名物理学家Kroemer教授在他获得诺贝尔奖时的演讲中提到“The interface is the device”。畴壁作为铁性材料中不同均匀畴的分界面，是一种非常典型的二维界面，在数据存储器件方面具有非常诱人的潜力，衍生出了“Domain wall nanoelectronics”概念。自2009年在绝缘体铁电氧化物中发现某些特殊类型畴壁具有导电性之后 (Fig. 1)，学者们掀起了对铁电畴壁导电性研究的热潮，并基于导电/非导电时的阻态，提出了铁电畴壁存储器的构想。
Fig. 1 (a) Lateral PFM 畴结构; (b) 导电AFM 电流分布
通常，铁电畴壁的厚度低于铁磁畴壁厚度一至两个数量级。因此，相对于铁磁畴壁存储器，铁电畴壁存储器理论上具有更高的存储密度、更高的读写速度、更低的能耗。尽管如此，目前铁磁畴壁存储器几乎接近于商业化，但是铁电畴壁存储器还停留在理论阶段，简单的原型铁电畴壁存储器未曾实现。为此，澳大利亚新南威尔士大学、我国湘潭大学、中国科学院深圳先进技术研究院、以及美国圣路易斯大学和华盛顿大学研究者们联合，探索研制出铁电畴壁原型存储器，并通过调控畴壁长度能实现多级数据存储 (Fig. 2)，从而大幅度提升存储密度。该工作得到了国家重点研发计划“纳米科技”重点专项等项目的支持。
Fig. 2 铁电畴壁存储器的多级阻态，可用于实现多级数据存储
成果简介
今天，澳大利亚新南威尔士大学Sharma博士研究组联合湘潭大学刘运牙副教授等在《Science》子刊《Science Advances》上发表了题为“Non-volatile Ferroelectric Domain Wall Memory”的研究论文，在国际上首次报道一类新型铁电畴壁原型存储器。该工作在有限元分析和相场模拟结果的支持下，通过生长高质量外延取向铁酸铋薄膜、精心设计面内电极形状、结合精密电子束光刻技术，研制出了铁电畴壁原型存储器，并基于扫描探针显微技术等手段进行了相关性能测试。该项工作中所研制的铁电畴壁原型存储器，其尺寸小至100nm以内、能通过中等电压(<3 V)实现非破坏性读取、展现出103的开关比、并具有优异的保持性能和抗疲劳性能。与此同时，通过精确的调控畴壁长度，研究者们发现所研制的原型存储器能实现多级数据存储，从而能大幅度提升存储密度。这一研究推动了纳米尺度铁电畴壁存储器研发和应用的进程。其图文导读以及英文摘要如下：
图文导读
图1 实验示意图和铁电翻转过程。(A)为铁电畴壁原型存储器及实验示意图；(B)为(A)中黄色虚线内铁酸铋表面形貌；(C)两种极化变体示意图；(D)初始状态LPFM相位图；(E)通过电极施加电场后的LPFM相位图；(F)相场模拟电畴翻转。
图2 证实铁电畴壁存储器工作原理。(A)存在畴壁时的LPFM相位图；(B-D)为与(A)图对应的不同直流偏压下的c-AFM结果；(E)擦除畴壁后的LPFM相位图；(F)为与(E)图对应的c-AFM结果；(G)沿垂直通过小电极的线所对应的(B-D)和(F)图中c-AFM结果；(H) 铁电畴壁存储器工作原理。
图3 铁电畴壁存储器性能。(A-B)开关状态的输运性能，其中(B)和(A)数据一样，只是(B)的纵坐标为指数坐标；(C)保持性能测试结果；(D) 抗疲劳性能测试结果。
图4 铁电畴壁存储器的多级阻态。(A-F)为两电极间距离变化时的LPFM振幅和c-AFM图，其中(A,C,E)为振幅，(B,D,F)为c-AFM结果，(A-B)对应电极间距离为407 nm，(C-D)对应电极间距离为225 nm，(E-F)对应电极间距离为90 nm；(G)沿垂直通过小电极的线所对应的c-AFM结果；(H)电流随畴壁长度变化呈现指数关系。
团队简介
该工作中Nagarajan教授和Seidel教授的研究团队长期从事复杂氧化物的生长和表征，尤其是基于扫描探针显微技术对氧化物界面的电、光、磁和拓扑结构的研究。该团队目前已在Science及Nature子刊上发表论文多篇，其中关于铁电畴壁的研究成果发表在Nature Nanotechnology 10, 190 (2015)、 Nature Materials 11, 284 (2012)、Nature Materials 8, 229 (2009)等。
该工作中的刘运牙副教授、李志豪助理教授、及李江宇教授长期从事智能材料的多场耦合的实验和理论模拟研究。在相场理论模拟方面，团队一直致力于发展一种基于特征函数的非传统相场方法，具有所需能量参数少、能量势阱明显、耦合多场序参数便捷等优点，在功能材料的微观结构模拟中具有较大的优势。目前，该相场方法已被成功应用于形状记忆合金、铁磁记忆合金、铁电、多铁、热电等材料的微观结构的模拟之中，相关成果发表在Advanced Materials 26, 6335 (2014)、Nano Letters 11, 3346 (2011)、Nano Energy 17, 72 (2015)、Journal of the Mechanics and Physics of Solids 58, 1613 (2010)、Acta Materialia 65, 308 (2014)等期刊。
图5 非传统相场方法在材料微结构模拟中的应用举例。(A)形状记忆合金；(B)铁磁记忆合金；(C)铁电；(D-F)多铁的电畴；(G)多铁的磁畴；(H)热电材料。
Non-volatile Ferroelectric Domain Wall Memory
P. Sharma, Q. Zhang, D. Sando, C. H. Lei, Y. Y. Liu, J. Y. Li, V. Nagarajan, J. Seidel
Ferroelectric domain walls are atomically-sharp topological defects that separate regions of uniform polarization. The discovery of electrical conductivity in specific types of walls gave rise to “domain wall nanoelectronics”, a technology in which the wall (rather than the domain) stores information. This paradigm shift critically hinges on precise nano-engineering of reconfigurable domain walls. Here, we demonstrate a prototype non-volatile ferroelectric domain wall memory, scalable to below 100 nm, whose binary state is defined by the existence or absence of conductive walls. The device can be read-out nondestructively at moderate voltages (< 3 V), exhibits relatively high OFF-ON ratios (~ 103) with excellent endurance and retention characteristics, and possesses multilevel data storage capacity. Our work thus constitutes an important step toward integrated nanoscale ferroelectric domain wall memory devices.
One Sentence Summary: Demonstration of non-volatile domain wall memory with excellent performance and potential to achieve multi-level data storage.
论文网址：http://advances.sciencemag.org/content/3/6/e1700512 （点击阅读原文可以直接访问）
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