Advanced Electronic Materials: 空气湿度对TiOx 纳米薄膜调控—实现忆阻与负微分电阻效应室温稳定共存

负微分电阻效应是一种非常奇特的电子效应。通常情况下,在外加电压作用下,电子在电路中移动,外加电压越大,移动的速度就越快,即形成的电流越大。然而,在特定的条件下,电子流动表现出反常的现象,即外加电压增大,电流出现下降的趋势,随后又出现电流增大现象,即在电流-电压曲线中形成“N”字形曲线,即负微分电阻效应。在1958年首次发现负微分电阻效应,随后日本科学家江崎(Leo-Esaki)利用该效应制备出了反向二极管即江崎二极管。尽管在数十年间, 江崎二极管的重要性早已被意识到,然而,对负微分电阻效应控制和稳定性上面临重重困境,使得江崎二极管大面积生产和商业化变得尤为困难。

自1971年由华裔科学家蔡少棠从理论上预言忆阻器存在以来,到现在32 Gb容量存储器的问世以及在类脑智能方面的仿生应用的开发,可以说忆阻器无论在下一代新型存储器方面还是在人工智能应用方面,都散发出诱人的魅力。因此,忆阻效应与负微分电阻效应若能够实现稳定共存的话,可以预知其在未来电子器件领域会有巨大应用价值。然而,这种稳定共存只能在低温(<77K)条件下才能够观察到, 亦或是在常温下稳定性极差。

近日,西南大学材料与能源学部宋群梁教授带领的团队以及其组员周广东博士利用55 nm致密型TiOx薄膜首次实现了二者室温稳定共存。他们利用溶胶-凝胶法在F-掺杂SnO2导电玻璃(FTO)衬底上以55 nm 致密型TiOx为功能层,Ag为上电极制备了Ag|TiOx|FTO结构的忆阻单元。通过控制该忆阻单元所处空气湿度可以有效控制二者共存行为:即共存效应随湿度增加而增强,而且在不同湿度下,其共存形态能够很好地保持。忆阻单元的电学性能测试、不同状态下形貌结构的表征和氧空位分布、迁移分析表明:空气中水分子与TiOx|FTO界面处氧空位上发生吸附、分解,最后生成O2和OH离子;在外加电场作用下, 大量的OH离子沿着TiOx薄膜晶界缺陷处快速迁移, 从而使得晶界通道变宽。因此, 该通道增大同时促进了具有竞争性的氧空位迁移通道与Ag+ 导电通道的形成,这两种相互竞争导电通道快速形成、断裂是观察到忆阻与负微分电阻室温稳定共存的直接原因。此外,他们利用该忆阻与负微分电阻室温稳定共存状态,实现了多阻态存储。该工作的发现为忆阻器扩容、负微分电阻稳定实现提供了一种新的思路,相关工作发表在Advanced Electronic Materials (DOI: 10.1002/aelm.201700567)上。

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