混合鐵電穿隧接面：最新技術、挑戰與機遇

核心概念

混合鐵電穿隧接面，透過結合鐵電材料與其他功能性材料，展現出超越傳統鐵電穿隧接面的性能和應用潛力，為下一代非揮發性記憶體技術和氧化物電子學帶來新的可能性。

摘要

混合鐵電穿隧接面：最新技術、挑戰與機遇

導言

• 穿隧接面是由兩個金屬電極夾著一個超薄絕緣層所組成，電子可以透過量子穿隧效應穿過絕緣層。
• 鐵電穿隧接面 (FTJ) 利用鐵電材料作為穿隧阻障層，透過鐵電極化方向的改變來調控穿隧電阻效應 (TER)。
• 本文重點關注混合鐵電穿隧接面，其將鐵電材料與其他功能性材料結合，展現出超越傳統 FTJ 的性能和應用潛力。

混合鐵電穿隧接面的定義

• 混合鐵電穿隧接面是指電子穿過與超薄鐵電薄膜串聯的功能層進行穿隧的結構。
• 功能層可以是順電、介電絕緣體、鐵磁體、量子阱或鐵電體與半導體之間的界面層等。
• 混合鐵電穿隧接面不僅可以透過極化控制來調節性能，還為開發新型物理現象和未來氧化物電子學的應用開闢了許多其他可能性。

混合鐵電穿隧接面的類型

鐵電/介電混合接面

• 非極性氧化物層的引入可以改變 FTJ 的勢壘高度，從而產生巨大的 TER 值。
• 複合阻障層可以克服單一阻障層 FTJ 的厚度限制，並提高 TER 效應。
• 在某些氧化物界面形成的二維電子氣 (2DEG) 或二維電洞氣 (2DHG) 可以使具有鐵電/介電複合阻障層的 FTJ 成為非揮發性記憶體應用的理想選擇。

鐵電/多鐵性混合接面

• 將鐵電材料與鐵磁材料結合可以實現多鐵性穿隧接面 (MFTJ)，從而實現磁電耦合效應。
• 透過鐵電極化方向的切換可以控制自旋極化穿隧和穿隧磁阻 (TMR)。
• MFTJ 中同時存在 TER 和 TMR 效應，為先進的信息處理和多阻態、高密度數據存儲提供了潛力。

鐵電/二維材料混合接面

• 二維材料，如石墨烯、MoS2 和 WeS，由於其獨特的性能，在電晶體、能源設備、光伏設備、記憶元件、柔性電子產品等領域有著廣泛的應用。
• 結合傳統鐵電薄膜和二維材料的混合接面展現出獨特的特性和創新應用，例如用於憶阻器件的二維穿隧接面和二維鐵電場效應電晶體 (FeFET)。
• 二維材料的獨特性能有望為下一代電子產品提供一個更新、功能更強大的平台。

鐵電/超導體混合接面

• 電控超導性在科學研究和技術應用中仍然是一個備受關注的話題。
• 鐵電場效應可以觸發超導體中載流子的積累或耗盡，從而增強或抑制超導臨界溫度 (Tc)。
• 在超導體混合接面中，電阻切換可以透過可逆的電化學氧化還原反應發生。

鐵電共振穿隧二極體 (FeRTD)

• FeRTD 的功能源於不同層之間的相互作用，這些層在量子阱 (QW) 結構內形成了一個勢阱。
• 共振穿隧是一種量子力學效應，當電子注入能量與阱內的分立量子化能級一致時，電子穿過量子阱結構的機率會增加。

總結

混合鐵電穿隧接面和 FeRTD 為未來的奈米電子學帶來了巨大的發展機遇，它們具有增強性能和擴展功能的潛力，令人振奮。

統計資料

在 (001) YAlO3 基板上，Co/BFO/Ca0.96Ce0.04MnO3 FTJ 的開/關電阻比大於 10,000。
Pt/BTO/STO/Pt FTJ 的開/關電阻比超過 104，導通態 RA 積約為 1 kΩ μm2。
在直接沉積在矽基板上的 Zr:HfO2/SiO2 複合層 FTJ 中，觀察到超過 200 的 TER 值和超過 1 A cm−2 的穿隧電流密度。
在外延 YHO/SiOx/Si FTJ 中，實現了約 106 的 TER 值。
在 TiN/Al2O3/HZO/TiN FTJ 中，當 HZO 厚度從 10 nm 減小到 7.4 nm 再到 6.2 nm 時，TER 值分別從 14 增加到 288，然後增加到 2469。
在 MoS2/BTO/SRO FTJ 中，觀察到巨大的 TER，開/關電阻比接近 104。
在 Cr/CIPS/石墨烯 FTJ 中，實現了超過 107 的巨大 TER，這歸因於約 1 eV 的巨大勢壘高度調製。
在全二维范德華六方氮化硼 (h-BN)/α-In2Se3/多層石墨烯 (MLG) FTJ 中，透過在室溫下切換 α-In2Se3 中的鐵電極化，實現了 104 的高開/關電阻比，並伴隨著超過 104 秒的 retentio n時間。
在 Fe3GaTe2/α-In2Se3/Fe3GaTe2 vdW MFTJ 中，預測透過切換 Fe3GaTe2 的磁性排列可以實現超過 10,000% 的巨大 TMR，而透過控制雙層 α-In2Se3 的鐵電構型可以實現超過 300% 的 TER。
在雙層 h-BN/Au FTJ 中，由於 Au/h-BN 強烈的界面電場導致 h-BN 中出現意外的零極化，因此 TER 很小。
在雙層 h-BN/石墨烯/Au FTJ 中，觀察到約 10,000% 的巨大 TER，這歸因於石墨烯能夠降低 Au 和相鄰 h-BN 之間的強烈雜化，從而恢復雙層 h-BN 的鐵電性。
在 LSMO/PZT/BSCCO 磁-鐵電-超導異質結構中，即使在室溫下，對於不同的極化方向，也能觀察到 TER 的電場控制，並具有不同的電阻狀態，而在 78 K（低於 BSCCO 的 Tc）時，TER 效應提高了 1~2 個數量級。
在 MoSi/BFO/YBCO (SC/FE/SC) 混合接面中，觀察到可逆的電阻切換，並伴隨著電壓誘導的鐵電極化反轉。

引述

從以下內容提煉的關鍵洞見

Hybrid ferroelectric tunnel junctions: State-of-the-art, challenges and opportunities

by King-Fa Luo,... 於 arxiv.org 11-25-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.14670.pdf

深入探究

混合鐵電穿隧接面技術的發展將如何影響未來人工智能和機器學習領域的進步？

混合鐵電穿隧接面（Hybrid Ferroelectric Tunnel Junctions, HFTJs）作為一種新型的非揮發性存儲器件，擁有高密度、低功耗、快速讀寫等優勢，其發展將為人工智能和機器學習領域帶來以下顯著影響：

突破馮·諾依曼架構瓶頸: HFTJs 的非揮發性特點使其能夠在斷電時保留數據，消除了傳統計算機架構中數據在處理器和存儲器之間頻繁移動的必要性，從而大幅降低功耗並提升計算速度。這對於需要處理海量數據的人工智能和機器學習算法尤為重要。
實現高效的神經形態計算: HFTJs 的電阻狀態可通過施加電壓進行調節，類似於生物神經元的突觸可塑性。因此，HFTJs 可用於構建模擬人腦神經網絡結構的神經形態計算芯片，實現更高效、低功耗的模式识别、图像处理和自然语言处理等人工智能任務。
促進存儲計算一體化: HFTJs 的結構使其能夠在同一器件內實現數據存儲和計算功能的集成，打破傳統計算機架構中存儲和計算單元分離的限制。這種存儲計算一體化架構將進一步提升人工智能和機器學習算法的效率和性能。
推動新型人工智能硬件發展: HFTJs 的出現為開發新型人工智能硬件提供了新的思路，例如基於鐵電疇壁運動的邏輯器件、基於鐵電極化翻轉的随机存取存储器等。這些新型硬件將為人工智能和機器學習算法提供更強大的計算和存儲能力。

然而，HFTJs 技術目前仍處於發展初期，距離大規模應用還面臨著諸多挑戰，例如材料制備、器件可靠性、集成工藝等方面仍需進一步突破。但總體而言，HFTJs 技術的發展為人工智能和機器學習領域帶來了巨大的机遇，有望推動人工智能硬件的革新和人工智能應用的快速發展。

有沒有其他材料體系可以替代文中提到的鐵電材料和功能性材料，從而實現更高效或多功能的混合鐵電穿隧接面？

除了文中提到的鐵電材料和功能性材料，以下材料體系也展現出替代或增強混合鐵電穿隧接面（HFTJs）性能的潛力：
鐵電材料替代:

反鐵電材料: 反鐵電材料在電場作用下表現出雙電滯迴線，相比鐵電材料，其擁有更快的翻轉速度和更高的耐久性，可應用於構建速度更快、壽命更長的 HFTJs。
多鐵性材料: 多鐵性材料同時具備鐵電性和鐵磁性，可通過電場控制磁性或通過磁場控制電性，為 HFTJs 提供更多功能和應用，例如多態存儲、磁電傳感器等。
有機鐵電材料: 有機鐵電材料具有柔韌性好、易於加工、生物相容性好等優勢，可應用於柔性電子、可穿戴設備、生物醫學等領域的 HFTJs。
功能性材料替代:

拓撲絕緣體: 拓撲絕緣體表面態具有無耗散傳輸的特性，可降低 HFTJs 的功耗，並提升器件性能。
二維材料異質結: 將不同種類的二维材料堆疊形成異質結，可以結合不同材料的優勢，例如高載流子遷移率、可調控的能帶結構等，為 HFTJs 提供更豐富的功能和更高的性能。
強關聯電子體系: 強關聯電子體系材料的電學性質對外部刺激非常敏感，例如電場、磁場、應力等，可用于構建具有多種響應特性的 HFTJs。
需要注意的是，新型材料體系的應用也面臨著諸多挑戰，例如材料合成、性能調控、界面工程等方面都需要深入研究。未來需要不斷探索和開發新的材料體系，才能不斷提升 HFTJs 的性能和拓展其應用領域。

如果將混合鐵電穿隧接面的概念應用於生物電子學領域，例如開發新型的神經形態計算設備或生物传感器，會有哪些潛在的挑戰和機遇？

將混合鐵電穿隧接面（HFTJs）應用於生物電子學領域，例如神經形態計算和生物傳感器，蘊藏著巨大的潛力和机遇，但也面臨著一些挑戰：
機遇:

生物相容性: 選擇生物相容性好的鐵電材料和電極材料，例如 HfO2 基鐵電材料、金、鉑等，可以構建對生物組織友好的 HFTJs，實現與生物體的良好交互。
低功耗: HFTJs 的非揮發性和低功耗特性使其非常適合用于植入式生物電子設備，可以減少對電池的依赖，延長設備的使用壽命。
信號處理: HFTJs 的多阻態特性和可調節電阻特性使其能夠模擬生物神經元的突觸可塑性，為構建高效率、低功耗的神經形態計算設備提供了新的思路，例如人工神經網絡、腦機接口等。
高靈敏度: HFTJs 對電場的敏感性使其可以作為高靈敏度的生物傳感器，用于檢測生物體內的微弱電信號，例如心電、腦電等。

挑戰:

生物環境穩定性: 生物體內的環境複雜，例如體液腐蝕、蛋白質吸附等，會影響 HFTJs 的性能和穩定性。需要開發具有良好生物環境穩定性的 HFTJs 材料和封装技术。
生物相容性測試: 需要對 HFTJs 材料和器件進行嚴格的生物相容性測試，確保其對生物體的安全性。
信號讀取: 生物體內的電信號非常微弱，需要開發高靈敏度的信號讀取电路和方法，才能有效地檢測和處理這些信號。
集成化: 生物電子設備通常需要集成多種功能，例如傳感、信號處理、無線通信等。需要開發 HFTJs 與其他電子元件的集成技術，才能實現多功能生物電子設備的微型化和集成化。

總而言之，將 HFTJs 應用於生物電子學領域具有巨大的潛力和机遇，但也面臨著一些挑戰。相信隨著材料科學、微納加工技術和生物醫學的發展，HFTJs 将在神经形态计算、生物传感器等领域发挥越来越重要的作用，推动生物电子学领域的快速发展。