利用La0.7Sr0.3MnO3（LSMO）底电极改进SrFeOx拓扑相变忆阻器的循环稳定性和开关比(Improved cycling stability and ON/OFF ratio of SrFeOx topological phase transition memristors using a La0.7Sr0.3MnO3 bottom electrode)

摘要

在SrFeOx（SFO）拓扑相变（TPT）忆阻器中，电阻功能层通常外延生长在钙钛矿底电极上，因此底电极在SFO功能层的微观结构和电阻切换性能中起着重要作用。不幸的是，底电极中氧的过度扩散导致SrFeOx的电阻功能层微结构发生不可控的畸变，从而损害了器件的整体性能。本研究通过脉冲激光沉积（PLD）技术，在$La_{0.7}Sr_{0.3}MnO_3$（LSMO）和$SrRuO_3$（SRO）两种不同的底电极上外延生长了SFO膜。结果表明，采用LSMO电极的SFO忆阻器表现出优异的循环稳定性、开关比、数据保持性和耐久性能。此外，通过X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）分别对SFO/LSMO和SFO/SRO异质结构的相组成、超晶格条纹和元素价态进行了表征。此外，通过第一性原理计算得出了两种器件中底电极的氧迁移自由能垒。上述研究结果表明，LSMO电极不易扩散氧离子，显著提高了SFO/LSMO异质结构的结构稳定性和性能。最后，通过紫外光电子能谱（UPS）和紫外可见光谱（UV-Vis）分析了BM-SFO与Au顶电极及LSMO底电极之间的能带结构和肖特基势垒，为解释其导电机制提供了实验依据。

1. 引言

对于拓扑相变（TPT）材料，通过提取某些组成元素可以在两种具有不同晶体结构和物理化学性质的相之间实现可逆转换，同时保持整体晶体结构的相对稳定性。作为一种典型的TPT材料，$SrFeO_x$（SFO）由于氧化学计量比的不同而具有多种状态。当$x = 2.5$时，$SrFeO_{2.5}$是一种缺氧的布朗米勒相（BM-SFO），其价带由$O\ 2p$轨道组成，导带由$Fe\ 3d$轨道组成。此时，电荷转移能量为正，表现为绝缘体的特性。而当$x = 3$时，材料完全氧化，转变为具有负电荷转移能量的导电钙钛矿相（PV-SFO）。值得注意的是，$SrFeO_x$具有较高的氧迁移能力，并且在TPT材料中BM相到PV相的吉布斯自由能变化小于钴基和锰基过渡金属氧化物（TMO）材料，这有助于在室温下实现相变。因此，SFO在忆阻器领域具有广阔的应用前景，并逐渐成为研究热点。

忆阻器的典型结构为“夹心(三明治)”配置，包括两个电极和一个功能层。电极主要促进电子在电极和功能层之间的传输。特别是，SFO忆阻器的制备需要将SFO功能层外延生长在导电钙钛矿电极上。因此，SFO薄膜的结构和性能容易受到钙钛矿底电极的影响。目前，$SrRuO_3$（SRO）被广泛用作TPT忆阻器的底电极，并在研究中取得了显著进展。然而，有研究表明，在SRO沉积过程中，大量氧离子或空位会富集在SRO层表面。在SFO功能层外延生长过程中，氧离子/氧空位自发扩散到SFO薄膜中，最终在SFO/SRO界面形成富氧/缺氧缓冲层，从而导致功能层晶体结构的畸变，并对忆阻器件的整体性能产生不可控的影响。 $La_{0.7}Sr_{0.3}MnO_3$（LSMO）因其半金属性、铁磁性和高居里温度（$T_c = 369\ \text{K}$）在自旋电子器件中得到了广泛应用。最近的研究表明，$La_{0.7}Sr_{0.3}MnO_3-\delta$也是一种TPT材料，能够在导电钙钛矿相和绝缘布朗米勒相之间发生相变。此外，与其他TPT材料相比，LSMO对氧具有更高的亲和性，这使得$La_{0.7}Sr_{0.3}MnO_{3-\delta}$的非完全氧化高阻结构易于吸收氧并转变为完全氧化的导电钙钛矿结构$La_{0.7}Sr_{0.3}MnO_3$。这一特性表明LSMO有潜力替代SRO作为TPT忆阻器的底电极。目前，关于以LSMO为底电极的TPT忆阻器的研究仍然较少。尽管在LSMO电极上成功外延生长了高质量的BM-SFO层，但现有研究主要集中于器件的磁性特性，而较少系统性地探索BM-SFO/LSMO器件的电阻切换性能和导电机制。因此，有必要对基于SFO的TPT忆阻器采用LSMO底电极的电阻切换特性进行全面研究。

在本研究中，通过外延生长成功制备了具有水平超晶格状（SLL）条纹的纯相布朗米勒相$SrFeO_{2.5}$（BM-SFO）电阻层，并进一步构建了$Au/BM\text{-}SFO/LSMO/STO$忆阻器。由于$La_{0.7}Sr_{0.3}MnO_3$（LSMO）底电极中氧离子具有更稳定的特性，该器件表现出良好的循环稳定性、开关比、数据保持性和耐久性能。为对比研究，还制备了在相同条件下的$Au/BM\text{-}SFO/SRO/STO$忆阻器。此外，通过X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）表征，研究了两种不同底电极上外延生长BM-SFO的微观结构差异和氧离子迁移效率。通过第一性原理计算进一步分析了氧离子从两种底电极迁移到SFO层的自由能障。最后，通过紫外-可见光谱（UV-vis）和紫外光电子能谱（UPS）表征方法研究了生长在LSMO上的BM-SFO薄膜的能带结构，以探讨器件的电阻切换机制。

2. 实验细节

在本研究中，$La_{0.7}Sr_{0.3}MnO_3$（LSMO）底电极通过脉冲激光沉积（PLD）方法沉积在$SrTiO_3$（001）衬底上，沉积温度为700℃，氧气压力为$3 \times 10^{-1}$ mTorr。在沉积过程中，激光能量和频率分别保持在250 mJ和5 Hz。沉积完成后，氧气压力提高至10 mTorr，并进行原位退火10分钟，以填补底电极中的氧空位，达到足够的氧化化学计量比，进而获得具有改善导电性的完全氧化LSMO底电极。随后，在相同条件下沉积了完全氧化的$SrRuO_3$（SRO）电极。沉积完这两个电极后，激光能量和重复频率保持不变，且以650℃沉积了30 nm的BM-SFO功能层。为了获得纯净的BM-SFO，将氧气压力降至$1 \times 10^{-2}$ mTorr，并进行原位退火10分钟。沉积完成后，所合成的BM-SFO薄膜在相同的氧气压力下冷却至室温。Au顶电极通过电子束蒸发制备，厚度为120 nm，尺寸为80×80 $\mu m^2$。

所合成薄膜的晶体结构通过X射线衍射（XRD，Bruker D2 PHASER）表征。器件的横截面微观结构通过高分辨率透射电子显微镜（HRTEM，Tecnai G2 F30）观察。通过X射线光电子能谱（XPS，AXIS-ULTRA DLD-600W）分析了所合成的BM-SFO薄膜的结合能，结合能校准采用C 1s = 284.6 eV作为参考。带隙和功函数通过紫外-可见光谱（UV-vis，SolidSpec-3700）和紫外光电子能谱（UPS，AXIS-ULTRA DLD-600W）分别研究。直流和脉冲的I-V特性通过半导体分析仪（Agilent B1500A）进行测试。

第一性原理计算通过维也纳自洽模拟软件包（VASP）进行，采用广义梯度近似（GGA）和PW91功能。平面波扩展的截止能量设置为520 eV。为了确保计算的准确性，每个单元格的能量收敛到$10^{-5}$ eV以下，每个离子的力收敛到$0.02$ eV/Å以下。为了进行布里渊区积分，采用了Γ中心的$4 \times 4 \times 1$ Monkhorst-Pack网格k点。考虑到$d/f$轨道电子的强库仑相互作用，本文采用了GGA+U方法，并选择了$La$的$f$轨道电子$U_{eff}$值为6 eV，$Mn$的$d$轨道电子$U_{eff}$值为4 eV，$Fe$的$d$轨道电子$U_{eff}$值为3.2 eV，$Ru$的$d$轨道电子$U_{eff}$值为1.5 eV。

3. 结果和讨论

图1(a)展示了外延生长在$La_{0.7}Sr_{0.3}MnO_3$（LSMO）上的布朗米勒相$SrFeO_{2.5}$（BM-SFO）和外延生长在$SrRuO_3$（SRO）上的混合相SFO的X射线衍射（XRD）图谱。生长在LSMO上的BM-SFO薄膜衍射图谱显示了典型的BM相，除了$SrTiO_3$（STO）衬底和LSMO底电极的衍射峰外，没有其他杂质相的峰。特别地，衍射图谱中可以检测到对应于(020)、(060)和(0100)晶面的衍射峰，定义为BM-SFO的指纹特征。在SFO/SRO薄膜的衍射图谱中，虽然可以看到(020)的弱特征峰，但(060)和(0100)晶面的特征峰的缺失表明单晶性较差。此外，SFO薄膜中还出现了$SrFeO_3$的(001)和(002)晶面特征峰，表明该薄膜中存在BM-SFO和PV-SFO的混合相。另一个在31.51度处出现的低而宽的衍射峰表明SFO/SRO薄膜由于混合相的存在而晶化较差。图1(b)展示了BM-SFO/LSMO和SFO/SRO薄膜的Fe 2p能级XPS谱图。BM-SFO结构中的Fe$^{3+}$对应的双峰特征分别出现在710.0 eV和723.6 eV的位置。第二组双峰位于711.9 eV和725.5 eV，归因于Fe$^{4+}$，表明薄膜表面略微氧化。值得注意的是，在Fe 2p3/2和Fe 2p1/2的双峰之间出现了718.9 eV的卫星峰，与BM-SFO薄膜中的Fe$^{3+}$特征一致，表明薄膜中Fe离子的价态主要为三价。此外，BM-SFO/LSMO薄膜中Fe$^{3+}$的比例高于SFO/SRO薄膜，表明BM-SFO在LSMO底电极上的化学结构比SFO/SRO薄膜更简单。图1(c)展示了BM-SFO/LSMO和SFO/SRO薄膜的O 1s能级XPS谱图。能谱显示出不对称的O 1s峰，表明系统中存在不同的氧化学态。通过拟合谱图，发现了529 eV和530.8 eV的两个明显峰。其中，529 eV的峰归因于BM-SFO中的晶格氧（$O_o$），530.8 eV的峰则归因于氧空位（$V_o$）。BM-SFO/LSMO中的$V_o/O_o$比值高于SFO/SRO薄膜，与Fe 2p能谱一致。这进一步支持了BM-SFO在LSMO底电极上的生长以及SFO/SRO薄膜中BM-SFO和PV-SFO的混合相。

图1

(a) 合成的$BM\text{-}SFO/LSMO/STO(001)$和$BM\text{-}SFO/SRO/STO(001)$薄膜的X射线衍射（XRD）$\theta$-$2\theta$图谱
(b) $SFO/LSMO$和$SFO/SRO$薄膜的Fe 2p核心能级XPS谱图
(c) $SFO/LSMO$和$SFO/SRO$薄膜的O 1s核心能级XPS谱图

图2(a)和(b)展示了SFO拓扑相变（TPT）忆阻器的两种状态，即初始高电阻状态（HRS）和低电阻状态（LRS），在LRS中形成了导电丝状结构（CFs）。图2(a)中，电阻功能层由$FeO_4$四面体（蓝色）层和$FeO_6$八面体（红色）层交替堆叠，称为具有水平超晶格状（SLL）结构的BM-SFO。在没有外加偏压的情况下，由于氧离子在八面体和四面体层之间的迁移屏障较高，氧离子更倾向于沿氧空位通道（OVCs）水平扩散，而非垂直迁移形成导电丝状结构。当在电极上施加偏压时，如图2(b)所示，氧离子在电场方向上垂直迁移，从而形成连接顶底电极的PV-SFO导电丝，导致器件开启。有关BM-SFO TPT忆阻器电阻切换性能的更多细节将在后续图中讨论。

图2

(a) $Au/BM\text{-}SFO/LSMO(SRO)$器件的示意图，显示水平有序的氧空位通道，器件处于高电阻状态（HRS）
(b) 在电场作用下，形成PV-SFO导电丝的示意图，器件处于低电阻状态（LRS）。红色和蓝色球体分别表示$FeO_6$八面体和$FeO_4$四面体

图3(a)展示了$Au/BM\text{-}SFO/LSMO$器件的循环特性，设置为-3 V的负电压，并且100次I-V循环曲线没有出现开关窗口的退化，显示出优异的循环稳定性。插图显示了在0.1 V和-0.1 V偏压下从器件提取的电阻累积分布图。$P\text{-}RHRS$（$P\text{-}RLRS$）和$N\text{-}RHRS$（$N\text{-}RLRS$）的相对波动（$\sigma/\mu$）分别为0.07（0.03）和0.09（0.04），表明在电阻切换过程中具有鲁棒的循环稳定性。图3(b)展示了$Au/BM\text{-}SFO/SRO$器件的循环特性，器件的设置电压极性为正（+2.5 V）。100次I-V循环曲线的重叠较差，显示出该忆阻器较差的循环一致性。插图展示了器件的HRS和LRS值的累积分布，$P\text{-}RHRS$（$P\text{-}RLRS$）和$N\text{-}RHRS$（$N\text{-}RLRS$）的离散度较大，分别为0.19（0.87）和0.18（0.86），表明循环稳定性较差。图3(c)和(d)展示了具有两种不同底电极的BM-SFO忆阻器的保持性能。对于$BM\text{-}SFO/LSMO$，图3(c)表明，在10 mV的读出电压下，器件的高低电阻值可以在1$\times 10^4$秒内保持良好，并且几乎没有可见的波动。因此，器件具有良好的数据保持特性，可以与当前高性能电阻切换器件进行比较，并显示出在长期数据存储中的潜在应用。器件的开关比约为100，且与电阻积累曲线相符。在10 mV的读出电压下，HRS的电阻表现出不稳定的行为和较小的开关比（≈11），这可能是由于在功能层中存在BM-SFO和PV-SFO的混合相结构，表明器件的保持性能较弱。图3(e)展示了$BM\text{-}SFO/LSMO$器件的耐久性特性。施加在器件上的写（擦除）脉冲的幅度和宽度分别为-5 V（+2.8 V）和5 ms（500 $\mu s$）。该器件在1000次脉冲下表现出良好的稳定性，且开关比约为23。与保持测试相比，耐久性测试中表现出的开关比有所降低，认为是(suggest)BM-SFO电阻层中自由移动氧的影响。在单次短时设置脉冲下，氧离子难以迁移到原位置，从而难以形成稳固的导电丝，导致器件的LRS值较高。相反，在重置脉冲过程中，氧离子更倾向于返回原位置，因此导电丝更容易且更彻底地断裂，器件的HRS电阻与直流扫描模式下的电阻相等。图3(f)进一步测量了11个不同器件单元在$Au/BM\text{-}SFO/LSMO$器件上的电阻切换特性，并统计了相应的$R_{HRS}$和$R_{LRS}$值，以及开关比。如图3(f)所示，器件的高低电阻值及其相应的开关比的波动较小，表明$LSMO$作为电极的BM-SFO器件具有良好的均匀性。

图3

(a) $Au/BM\text{-}SFO/LSMO$器件的100次I-V循环曲线
(b) $Au/BM\text{-}SFO/SRO$器件的100次I-V循环曲线。插图为两种器件中电阻的累积分布概率
(c) $Au/BM\text{-}SFO/LSMO$器件的保持性能
(d) $Au/BM\text{-}SFO/SRO$器件的保持性能
(e) $Au/BM\text{-}SFO/LSMO$器件的耐久性能
(f) 11个不同$Au/BM\text{-}SFO/LSMO$器件单元的$R_{HRS}$、$R_{LRS}$以及对应的开关比（ON/OFF ratio）

图4(a)和(b)分别展示了具有两种不同底电极的BM-SFO忆阻器的高角环形暗场（HAADF）透射电子显微镜（TEM）图像及其相应的能量色散谱（EDS）元素映射图。横截面图像显示了器件中各层的均匀分布及清晰的界面边界。为了消除功能层厚度对器件整体电阻性能的影响，两种器件的功能层厚度均约为30 nm。值得注意，在LSMO的EDS映射图中，Sr元素的含量低于BM-SFO和STO中的Sr，这与LSMO的化学计量比（约0.3）一致。图4(c)显示了BM-SFO/LSMO异质结构的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像，在BM-SFO层中可以观察到清晰的水平超晶格状（SLL）条纹，并且底电极界面处没有由于氧扩散形成的PV-SFO区域。SLL条纹的宽度为0.778 nm，与报道的宽度（0.78 nm）非常接近。图4(d)展示了BM-SFO/LSMO异质结构中选定区域A的快速傅里叶变换（FFT）图像，显示了垂直排列的SLL条纹，证实了BM-SFO薄膜中的SLL条纹沿面内方向分布。图4(e)表明LSMO电极薄膜是具有晶格常数0.384 nm的标准钙钛矿结构。对于BM-SFO/SRO，异质层结构如图4(f)所示，SRO电极薄膜仍为钙钛矿结构（见图4(h)）。然而，由于氧的自发扩散，在底电极界面附近形成了富氧的PV-SFO区域，从而在某些研究中报道的沿面外方向生成了SLL条纹，条纹间距为0.783 nm。此外，在SFO薄膜中还可以观察到水平SLL条纹以及一些交叉区域，这导致了SFO薄膜的晶体质量较差，与之前的XRD结果一致。图4(g)显示了SFO/SRO薄膜中选定区域C的FFT图像，其中水平排列的超晶格条纹证实了垂直方向的SLL条纹的存在。结合TEM图像和之前的讨论，可以解释这两种器件在电阻切换过程中表现出相反的极性。在$Au/BM\text{-}SFO/LSMO$忆阻器中，BM-SFO薄膜的表面轻微氧化，底电极界面处没有氧扩散，也没有多余的氧离子。当在顶电极施加适当的负电压时，氧离子被驱动向下迁移，最终形成导电丝（CFs），完成设定过程。相应地，正电压驱使氧离子从CFs中逸出并返回初始位置，使器件恢复到高电阻状态（HRS）。相比之下，对于$Au/BM\text{-}SFO/SRO$器件，大量氧从底电极扩散到SFO薄膜中，导致SFO底电极附近富集氧离子。在顶电极施加正电压会促使大量氧离子向上迁移，形成稳固的导电丝并完成设定过程，而负电压则完成重置过程。然而，在施加重置电压后，HRS中的导电丝并未完全且均匀地断裂。结果，在连续的读出电压下，导电丝逐渐断裂或产生额外的断裂，导致器件HRS值逐渐增加。因此，两种器件性能的差异归因于底电极的氧扩散行为。

图4

(a) $Au/BM\text{-}SFO/LSMO$器件的高角环形暗场（HAADF）TEM图像及相应的EDS映射图
(b) $Au/BM\text{-}SFO/SRO$器件的HAADF TEM图像及相应的EDS映射图
(c) $BM\text{-}SFO/LSMO$层的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像
(d) 选定区域A的快速傅里叶变换（FFT）图像
(e) 选定区域B的FFT图像
(f) $BM\text{-}SFO/SRO$层的HRTEM图像
(g) 选定区域C的FFT图像
(h) 选定区域D的FFT图像

为了更好地理解氧离子从两种不同电极（$La_{0.7}Sr_{0.3}MnO_3$，LSMO 和 $SrRuO_3$，SRO）迁移到$BM\text{-}SFO$薄膜的过程，采用密度泛函理论（DFT）计算了在两电极间氧迁移过程中自由能的变化。图5(a)展示了在没有底电极氧扩散的情况下异质结构的示意图，此时界面的四面体层仅由$FeO_4$四面体组成。图5(b)展示了底电极中的氧离子迁移至$BM\text{-}SFO$四面体层后异质结构的示意图，形成了$FeO_5$五面体，同时在原位置留下了$MnO_5$或$RuO_5$五面体。此外，放大的图显示了氧离子的迁移路径。氧离子的迁移并非直接从位置1到位置3，而是先从位置1移动到位置2，然后位置2的氧离子迁移到位置3以填补现有氧空位。进一步计算了氧迁移前后每个状态的吉布斯自由能及其变化，如表1所示。对于$BM\text{-}SFO/LSMO$，氧迁移前的吉布斯自由能为$-774.975$ eV，迁移后的自由能为$-772.749$ eV，对应的自由能变化$\Delta G = 2.226$ eV。在$BM\text{-}SFO/SRO$异质结构中，自由能分别为$-736.738$ eV和$-735.185$ eV，对应的$\Delta G = 1.553$ eV，比LSMO电极的器件更小。$\Delta G$的差异表明，SRO中的氧比LSMO中的更活跃，因此更容易迁移。在两种底电极的制备过程中，薄膜在10 mTorr的高氧压下退火，以填补表面的氧空位并形成富氧界面。在后续$BM\text{-}SFO$沉积过程中，SRO表面的氧自发扩散至$BM\text{-}SFO$，形成了富氧的$PV\text{-}SFO$层，这导致垂直方向的SLL形成，使最终晶体结构较为无序，且$BM\text{-}SFO/SRO$器件的电阻切换性能不稳定。相比之下，LSMO底电极即使在相同的高氧压下退火，其氧向$BM\text{-}SFO$薄膜的自发扩散量也少得多。因此，最终合成的薄膜为纯的$BM\text{-}SFO$相，整体结构不会产生不可控的变化，从而使器件表现出更稳定的电阻性能。

表1

两种异质结构中氧从底电极界面迁移至$BM\text{-}SFO$四面体层时的初始和最终吉布斯自由能及对应的自由能变化（$\Delta G$）

图5

(a) 无氧离子迁移时$BM\text{-}SFO$与钙钛矿结构底电极的结构示意图
(b) 底电极的氧迁移到$BM\text{-}SFO$中并填补四面体层氧空位后的异质界面结构示意图（放大图显示了氧离子的迁移路径）

图6(a)显示了$Au/BM\text{-}SFO/LSMO$器件导电机制的拟合曲线。在整个正负电压扫描过程中，器件表现出欧姆导电、肖特基发射和空间电荷限制电流（SCLC）导电机制。在HRS中，器件仅通过肖特基发射导电。当器件切换到LRS时，仅表现出欧姆导电和SCLC导电机制，表明此时形成了导电丝（CFs）。当器件恢复到HRS时，导电机制再次表现为肖特基发射，表明导电丝已断裂。基于典型的肖特基发射模型，图中展示了电压扫描范围0至-0.81 V和0.9至-0.125 V内$\sqrt{V}$与$\ln I$的线性拟合曲线。负电压扫描下的拟合曲线斜率和截距大于正电压扫描下的对应值，表明肖特基势垒有所降低。此外，通过Kubelka-Munk函数对扩散反射光谱进行外推获得了外延生长在LSMO上的$BM\text{-}SFO$薄膜的带隙（$E_g$），如图6(b)所示。根据Kubelka-Munk函数绘制了$(F(R)\cdot h\nu)^2$与光子能量$h\nu$的曲线，带隙$E_g$约为2.07 eV，与先前报道一致。图6(c)显示了$BM\text{-}SFO$和LSMO的高结合能，分别为16.45 eV和16.49 eV。He激发源的结合能为21.22 eV，得出$BM\text{-}SFO$和LSMO的功函数分别为4.77 eV和4.73 eV。图6(d)展示了$BM\text{-}SFO$的低结合能截止点，表明价带顶部（VBM）与费米能级之间的能量差为1.25 eV。此外，已有研究表明LSMO是一种无带隙导电材料，Au的功函数为5.1 eV。因此，基于上述能带测试结果，图6(e)和(f)分别示意了$Au/BM\text{-}SFO$和$BM\text{-}SFO/LSMO$异质结的能带结构。图6(e)显示，当Au与$BM\text{-}SFO$接触时，由于功函数的差异，$BM\text{-}SFO$的能带下移0.33 eV，形成1.15 eV的肖特基势垒。类似地，图6(f)显示当$BM\text{-}SFO$与LSMO接触形成异质结时，形成了0.78 eV的肖特基势垒，这与图6(a)中插图所示的线性拟合斜率和截距相吻合。$BM\text{-}SFO$与顶电极和底电极之间肖特基势垒的差异影响了I-V循环中正负偏压下累积曲线的一致性。

图6

(a) $Au/BM\text{-}SFO/LSMO$器件的导电机制拟合曲线（插图为$\sqrt{V}$与$\ln I$的拟合曲线）
(b) 合成的$BM\text{-}SFO$薄膜的$(F(R)h\nu)^2$与光子能量$h\nu$的关系曲线
(c) 通过UPS光谱获得的$BM\text{-}SFO$和LSMO的功函数
(d) 通过UPS光谱分析的$BM\text{-}SFO$价带能量
(e) $Au/BM\text{-}SFO$异质结构的能带结构示意图
(f) $BM\text{-}SFO/LSMO$异质结构的能带结构示意图

4. 结论

综上所述，成功制备了$Au/BM\text{-}SFO/LSMO/STO$和$Au/BM\text{-}SFO/SRO/STO$拓扑相变（TPT）忆阻器，并详细研究了采用两种不同底电极的SFO忆阻器的微观结构和电阻切换性能。XRD图谱表明，基于LSMO底电极制备的BM-SFO表现出优于SRO基器件的单晶格结构。TEM及其对应的FFT图像进一步确认，在采用LSMO底电极的SFO薄膜中仅出现水平的超晶格状（SLL）条纹，且BM-SFO/LSMO界面处氧扩散较少，而在SRO上生长的SFO薄膜不仅存在水平和垂直SLL条纹，还由于氧扩散形成了PV-SFO相，表明BM-SFO更倾向于在LSMO上实现外延生长。 XPS谱图显示，与SRO相比，在LSMO底电极上合成的BM-SFO薄膜具有更高的$Fe^{3+}$和氧空位（$V_o$）含量，化学结构更加一致。此外，第一性原理计算结果表明，LSMO薄膜中的氧迁移能量较高，因此氧在LSMO中的稳定性优于SRO中的氧。因此，与$Au/BM\text{-}SFO/SRO$器件相比，$Au/BM\text{-}SFO/LSMO$器件展现出更优异的循环稳定性，且其开关比提高了9倍，这归因于LSMO底电极中氧的增强稳定性。此外，还分析了$Au/BM\text{-}SFO/LSMO$器件的能带结构，并计算了BM-SFO与顶电极（Au）和底电极（LSMO）之间的肖特基势垒，较好地解释了正负偏压下的肖特基导电机制。总之，本文提出的基于LSMO底电极的BM-SFO忆阻器，其改进的电阻切换特性为设计新型SFO TPT忆阻器提供了有价值的参考。