寧波材料所在二氧化釩相變調(diào)控和新型信息器件研究方面取得進(jìn)展

　　存儲器是信息記錄的載體，也是現(xiàn)代信息技術(shù)的核心和基石之一，在數(shù)據(jù)中心、科學(xué)研究以及軍事國防等國民生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，全球信息量爆炸式增長，對于新型高密度信息存儲器的需求愈加迫切。因此，在納米尺度上調(diào)控電子材料的物化特性，將為發(fā)展具有超小尺寸、超快響應(yīng)速度以及超低功耗特性的未來信息器件提供前所未有的機(jī)遇。

　　基于電致阻變效應(yīng)的電阻型隨機(jī)存儲器（RRAM）具有非易失性、結(jié)構(gòu)簡單、低功耗、高密度、快速讀寫等優(yōu)勢，被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d存儲技術(shù)之一。中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所磁性材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員李潤偉團(tuán)隊(duì)早期分別研究了無機(jī)和有機(jī)材料的阻變效應(yīng)及其機(jī)理，在氧化鋅、氧化鉿、氧化鈰、鐵酸鈷、聚西佛堿以及金屬-有機(jī)框架等薄膜材料中，在納米尺度上通過電場分別控制活潑金屬離子或者氧離子遷移、官能團(tuán)吸/脫附、有機(jī)離子摻雜等物理化學(xué)過程而獲得了穩(wěn)定的阻變效應(yīng)。然而，在交叉陣列中實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成時，相鄰RRAM器件間嚴(yán)重的漏電和串?dāng)_問題極大地動搖了阻變存儲器的讀寫可靠性。因此，開發(fā)高可靠的選通管器件對于阻變存儲器的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。

　　二氧化釩（VO2）是一種典型的強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料，具有獨(dú)特的可逆金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變（MIT）特征和雙向易失性開關(guān)特性，是制備選通管器件的重要備選材料之一。但由于相變過程中多重疇結(jié)構(gòu)的共存和逐級隨機(jī)演化，二氧化釩樣品的電學(xué)行為將發(fā)生雪崩式的多級轉(zhuǎn)變，從而極大降低了器件電阻變化的陡直度和均一性，影響了其實(shí)際應(yīng)用。針對這一情況，李潤偉團(tuán)隊(duì)的研究員劉鋼和博士生薛武紅發(fā)展了一種利用電場驅(qū)動的氧離子輸運(yùn)行為在五氧化二釩（V2O5）薄膜中室溫構(gòu)建垂直分布的準(zhǔn)一維VO2納米通道的新方法。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過將VO2納米通道的尺寸（長度~80nm、直徑<20nm）降低到傳統(tǒng)VO2薄膜中各種疇結(jié)構(gòu)的典型尺寸（100nm ~ 1um）以下，可以明顯地降低相變過程中多重疇結(jié)構(gòu)共存和逐級隨機(jī)演化的幾率，從而有效地將二氧化釩的金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變行為限制在VO2通道的納米范圍內(nèi)?；谠摲椒ㄖ苽涞腜t/VO2 nanochannel/Pt器件具有可靠的金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變和易失性開關(guān)特性，器件的開關(guān)響應(yīng)時間僅為17ns，驅(qū)動電壓和器件電阻的離散系數(shù)低于4.3%，器件工作能耗僅約8pJ。同時，該工作在國際上首次證明了在直徑低于20nm的超小尺寸二氧化釩樣品中仍然能夠獲得穩(wěn)定的金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變，從而為發(fā)展超小型VO2電子器件提供了理論依據(jù)。利用VO2納米結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠的開關(guān)特性，該團(tuán)隊(duì)將納米尺寸VO2器件與HfO2存儲單元串聯(lián)，制備了1S1R結(jié)構(gòu)的10×10交叉存儲陣列。該陣列在100萬次的連續(xù)操作中能夠進(jìn)行可靠的存儲和準(zhǔn)確的讀取，最終驗(yàn)證了利用電場驅(qū)動的離子輸運(yùn)行為構(gòu)建功能性納米導(dǎo)電通道并在納米尺度上調(diào)控其輸運(yùn)行為等物化特性的有效性，為構(gòu)建下一代高性能選通器件提供了一種新的方法。

　　以上工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金杰青項(xiàng)目和浙江省杰出青年科學(xué)基金等的資助。相關(guān)成果在線發(fā)表在Advanced Materials上，并申請了1項(xiàng)中國發(fā)明專利。

　　論文鏈接 

　　利用電場驅(qū)動的離子輸運(yùn)行為構(gòu)建納米尺寸VO2器件的示意圖（a）、TEM照片（b）及其優(yōu)異的金屬絕緣體轉(zhuǎn)變（c）和開關(guān)特性（d，e）。