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宁波材料所在二氧化钒相变调控和新型信息器件研究方面取得进展
作者:,日期:2017-08-29

  存储器是信息记录的载体,也是现代信息技术的核心和基石之一,在数据中心、科学研究以及军事国防等国民生产生活的各个领域发挥着重要的作用。随着大数据时代的到来,全球信息量爆炸式增长,对于新型高密度信息存储器的需求愈加迫切。因此,在纳米尺度上调控电子材料的物化特性,将为发展具有超小尺寸、超快响应速度以及超低功耗特性的未来信息器件提供前所未有的机遇。

  基于电致阻变效应的电阻型随机存储器(RRAM)具有非易失性、结构简单、低功耗、高密度、快速读写等优势,被认为是最具发展潜力的新兴存储技术之一。中国科学院磁性材料与器件重点实验室(中科院宁波材料所)李润伟研究员领导的团队早期分别研究了无机和有机材料的阻变效应及其机理,在氧化锌【Adv. Mater., 24, 3941 (2012)】、氧化铪【Adv. Funct. Mater. 24, 2110(2014)、 Nanoscale 9, 7037 (2017)】、氧化铈【Adv. Mater. 27, 2797 (2015)】、铁酸钴【ACS Nano 9, 4210 (2015)】、聚西佛碱【J. Am. Chem. Soc, 134, 17408 (2012)】以及金属-有机框架【J. Am. Chem. Soc. 136, 17477 (2014), Adv. Funct. Mater. 25, 2677 (2015)】等薄膜材料中,在纳米尺度上通过电场分别控制活泼金属离子或者氧离子迁移、官能团吸/脱附、有机离子掺杂等物理化学过程而获得了稳定的阻变效应。然而,在交叉阵列中实现大规模集成时,相邻RRAM器件间严重的漏电和串扰问题极大地动摇了阻变存储器的读写可靠性。因此,开发高可靠的选通管器件对于阻变存储器的发展和应用具有重要的意义。

  二氧化钒(VO2)是一种典型的强关联电子材料,具有独特的可逆金属-绝缘体转变(MIT)特征和双向易失性开关特性,是制备选通管器件的重要备选材料之一。但由于相变过程中多重畴结构的共存和逐级随机演化,二氧化钒样品的电学行为将发生雪崩式的多级转变,从而极大降低了器件电阻变化的陡直度和均一性,影响了其实际应用。针对这一情况,李润伟研究员团队的刘钢研究员和博士生薛武红发展了一种利用电场驱动的氧离子输运行为在五氧化二钒(V2O5)薄膜中室温构建垂直分布的准一维VO2纳米通道的新方法。实验发现,通过将VO2纳米通道的尺寸(长度~80 nm、直径<20 nm)降低到传统VO2薄膜中各种畴结构的典型尺寸(100 nm ~ 1 um)以下,可以明显地降低相变过程中多重畴结构共存和逐级随机演化的几率,从而有效地将二氧化钒的金属-绝缘体转变行为限制在VO2通道的纳米范围内。基于该方法制备的Pt/VO2 nanochannel/Pt器件具有可靠的金属-绝缘体转变和易失性开关特性,器件的开关响应时间仅为17 ns,驱动电压和器件电阻的离散系数低于4.3%,器件工作能耗仅约8 pJ。同时,该工作在国际上首次证明了在直径低于20 nm的超小尺寸二氧化钒样品中仍然能够获得稳定的金属-绝缘体转变,从而为发展超小型VO2电子器件提供了理论依据。利用VO2纳米结构稳定可靠的开关特性,该团队将纳米尺寸VO2器件与HfO2存储单元串联,制备了1S1R结构的10×10交叉存储阵列。该阵列在100万次的连续操作中能够进行可靠的存储和准确的读取,最终验证了利用电场驱动的离子输运行为构建功能性纳米导电通道并在纳米尺度上调控其输运行为等物化特性的有效性,为构建下一代高性能选通器件提供了一种新的方法。

  以上工作得到国家重点研发计划(2016YFA0201102)、国家自然科学基金杰青项目(51525103)和浙江省杰出青年科学基金(LR17E020001)等的资助。相关成果在线发表在Advanced Materials (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201702162/epdf)上,并申请了1项中国发明专利(201710557648.2)。

 

利用电场驱动的离子输运行为构建纳米尺寸VO2器件的示意图(a)、TEM照片(b)及其优异的金属绝缘体转变(c)和开关特性(d,e)。

 

(磁材事业部 薛武红)