铁电隧道结作为非易失性存储器的重要候选材料，近年来引起了人们广泛的研究兴趣。铁电隧道结通常为三层结构，上下层为金属电极，中间势垒层为铁电材料。中间铁电层在外加电场下发生极化方向反转时，通常会导致铁电隧道结的隧穿电阻发生很大变化，表现出高电导和低电导两个不同的导电状态。这两种极化态下隧道结的导电性差异可用TER比率来表示，TER比率越大越有利于区分这两个不同的状态。因此，如何发展新的方法以获得更高的TER比率一直是铁电隧道结研究中的核心科学问题之一。 

鉴于此，科研人员基于已有的量子输运理论提出可以在铁电隧道结中引入双势垒结构来极大增强隧穿电致电阻效应，并且通过第一性原理计算验证了该想法。研究人员设计了Pt/BaTiO₃/LaAlO₃/Pt/BaTiO₃/LaAlO₃/Pt双势垒铁电隧道结，并利用密度泛函理论计算对其输运性质展开了研究（图1），发现铁电左极化态和右极化态之间的反转可以在该铁电隧道结中实现2.21×10⁸%的巨大TER比率，较Pt/BaTiO₃/LaAlO₃/Pt单势垒铁电隧道结的TER比率提高至少3个数量级（图2）。这是由于在微观尺度下，电子通过串联的两个势垒的透射函数大小与通过两个单一势垒的透射函数的乘积密切相关，且一个大于1的数平方以后和原数相比会呈指数增长变化。此外，研究人员还提出了通过外加电压单独控制每一个势垒的极化方向，可以在双势垒铁电隧道结中实现极化头对头和尾对尾的两个额外的铁电极化态，从而得到多个电阻态（图3）。该研究表明在铁电隧道结设计中，可以利用双势垒结构显著增强其隧穿电致电阻特性，并拓展其功能实现多态存储。该方法并不限于特定体系，可作为铁电隧道结设计研究中的重要参考。 

上述研究在南京林业大学和山西大学等单位的合作下完成，固体所博士生肖威为论文第一作者。研究得到了国家自然科学基金的资助，以及中科院超算中心合肥分中心的计算支持。