Science Advances：非易失性铁电畴壁原型存储器问世

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。

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。

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：

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。

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）