基于三氧化鎢納米線憶阻器的納米電離子學(xué)研究.pdf

1、納米電離子學(xué)是研究納米尺度內(nèi)固體中電子-離子耦合輸運(yùn)現(xiàn)象、規(guī)律、物理機(jī)制及其應(yīng)用的一門新型學(xué)科。當(dāng)電子學(xué)器件的特征尺寸進(jìn)入到納米尺度，外加偏壓所激發(fā)的電場(chǎng)在激勵(lì)電子漂移的同時(shí)，足以引起離子產(chǎn)生顯著漂移，從而導(dǎo)致器件的電學(xué)性能發(fā)生顯著變化而具有新奇的物理特性?；趹涀栊?yīng)有望實(shí)現(xiàn)超高密度存儲(chǔ)、計(jì)算和存儲(chǔ)融合、及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。然而，由于電子-離子耦合輸運(yùn)微觀機(jī)制不清晰，導(dǎo)致所構(gòu)筑器件原型性能分散、穩(wěn)定性差，從而制約其應(yīng)用前景。因此，在納米

2、尺度內(nèi)設(shè)計(jì)電子-離子耦合輸運(yùn)，構(gòu)筑性能穩(wěn)定和可調(diào)控的新型電離子器件已成為新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。沿[001]方向生長(zhǎng)的六方晶相三氧化鎢單晶納米線內(nèi)存在軸向的準(zhǔn)一維孔道，有望實(shí)現(xiàn)離子在納米孔道內(nèi)的可逆漂移，是研究電子-離子在納米尺度下耦合輸運(yùn)的理想材料體系。
　　本文選擇六方晶相三氧化鎢單晶納米線作為研究對(duì)象。采用水熱法實(shí)現(xiàn)了六方晶相三氧化鎢單晶納米線的可控制備。通過傳統(tǒng)的光刻微加工工藝，構(gòu)筑了基于單根納米線的二端電子學(xué)器件，系統(tǒng)表征了納米

3、線中氧空位的漂移、納米線表面水氧化所產(chǎn)生的氫離子漂移和納米孔道內(nèi)氫離子漂移對(duì)器件憶阻性能的影響。代表性研究結(jié)果如下:
　　1、基于氧空位漂移而導(dǎo)致的接觸勢(shì)壘變化，構(gòu)筑三氧化鎢納米線憶阻器原型。三氧化鎢納米線與金電極之間存在接觸勢(shì)壘，金/三氧化鎢納米線/金二端器件可等效為兩個(gè)背靠背的肖特基二極管。器件性能主要取決反向偏置的肖特基二極管。雙向偏壓掃描時(shí)，帶正電荷的氧空位在外加偏壓所產(chǎn)生電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，向反偏的肖特基勢(shì)壘聚集，引起反偏肖特

4、基勢(shì)壘寬度減小，從而導(dǎo)致器件電阻發(fā)生顯著變化而具有憶阻效應(yīng)。當(dāng)單方向重復(fù)掃描或大偏壓掃描時(shí)，反偏肖特基勢(shì)壘附近氧空位濃度將顯著增加，導(dǎo)致該肖特基接觸轉(zhuǎn)變?yōu)闅W姆接觸。在此基礎(chǔ)上構(gòu)筑導(dǎo)通方向可控的整流器件原型。
　　2、氫離子格羅特胡斯遷移，顯著提升三氧化鎢納米線器件的憶阻性能。通過表征器件在不同相對(duì)濕度下的電輸運(yùn)特性，研究了水分子吸附對(duì)器件憶阻性能的影響。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)測(cè)試環(huán)境相對(duì)濕度小于51％時(shí)，相對(duì)濕度對(duì)器件的憶阻性能影響不明

5、顯;而當(dāng)測(cè)試環(huán)境相對(duì)濕度大于51％時(shí)，器件的憶阻性能得到顯著提升。三氧化鎢具有獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)，其價(jià)帶頂高于水分子氧化能級(jí)O2/H2O，而導(dǎo)帶底低于氫離子還原能級(jí)H+/H2。因此，電壓掃描時(shí)，正電極注入的空穴始終能氧化三氧化鎢表面吸附的水分子產(chǎn)生O2和H+，而負(fù)電極注入的電子只有在被偏壓抬升到高于氫離子還原能級(jí)時(shí)，才能還原H+。當(dāng)相對(duì)濕度較低時(shí)（小于51％），電壓掃描時(shí)正極附近產(chǎn)生的少量H+在電壓掃描方向改變后能被還原，對(duì)器件電學(xué)性能無顯

6、著影響。當(dāng)相對(duì)濕度較高時(shí)（大于51％），三氧化鎢納米線表面形成水膜（物理吸附層≥2），正極附近產(chǎn)生的H+通過格羅特胡斯機(jī)理持續(xù)向負(fù)極漂移、聚集，導(dǎo)致N型三氧化鎢納米線在負(fù)極附近被截止。當(dāng)負(fù)極注入的電子能量高于氫離子還原能級(jí)，H+迅速被還原，從而導(dǎo)致納米線器件電流迅速增大。使器件的阻變窗口和阻變范圍明顯增加，從而顯著提升器件的憶阻性能。
　　3、水氧化的氫離子注入調(diào)控三氧化鎢納米線器件的憶阻性能。研究了相對(duì)濕度、掃描偏壓值、掃描次數(shù)

7、、激光輻照和氣體氛圍等因素對(duì)三氧化鎢納米線器件電輸運(yùn)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在大相對(duì)濕度條件下重復(fù)偏壓掃描，或激光輻照注入大量電子空穴對(duì)后，將導(dǎo)致納米線上H+濃度足夠大，從而使得H+注入三氧化鎢納米線晶格中，使三氧化鎢納米線轉(zhuǎn)變?yōu)闅滏u青銅納米線，實(shí)現(xiàn)納米線絕緣體-金屬轉(zhuǎn)變。當(dāng)轉(zhuǎn)變后的器件置于氧氣中或在低濕度下重復(fù)偏壓掃描時(shí)，氫鎢青銅納米線中的H+濃度將會(huì)減小。通過調(diào)控H+濃度，納米線中的氫鎢青銅導(dǎo)電絲在偏壓掃描過程中可以形成和斷開，從

8、而實(shí)現(xiàn)三氧化鎢納米線器件從模擬型憶阻器向數(shù)字型憶阻器的轉(zhuǎn)變。
　　4、單晶六硼化釤拓?fù)浣^緣體納米線可控制備及其表面電輸運(yùn)研究。采用氯化硼和氯化釤作為反應(yīng)源，通過化學(xué)氣相沉積法實(shí)現(xiàn)了大面積單晶拓?fù)浣俳^緣體六硼化釤納米線的可控制備。透射電子顯微鏡和選區(qū)電子衍射結(jié)果表明納米線沿[100]方向生長(zhǎng)。在硼源不充足的情況下，反應(yīng)物更趨向于在最易到達(dá)的面上結(jié)合，實(shí)現(xiàn)取向生長(zhǎng)，產(chǎn)物形貌為納米線。隨著硼源濃度增大，硼和釤可以在多個(gè)等能面上結(jié)合，當(dāng)