NiO納米線阻變存儲效應

電阻開關 resistance switching (RS) 現象也就是器件電阻在外電場作用下能夠在低阻态和高組态上可逆地轉換。它具有結構簡單、響應速度快，在斷電的情況下也能保存數據，有更高的存儲密度，可以将内存和硬盤的功能結合在一起等優點，可以用作電阻型随機存儲器resistance random access memory (ReRAM)。在許多金屬氧化物中都觀測到電阻開關效應，NiO作為一種典型的過渡族金屬氧化物，近年來被廣泛研究。通常有兩種形式的RS效應，記憶型RS（memory RS）和阈RS（threshold RS）。對于記憶型RS，高阻态和低阻态在零偏壓下都是穩定的，可以用作非易失性存儲；但是對于阈RS，僅僅高阻态在零偏壓下是穩定的，這阻礙了器件的進一步應用。因此，找到一種有效的控制電阻開關類型的方法并理解其中的物理原理是相關領域急需解決的一個關鍵問題。

beat365俞大鵬教授研究團隊的青年教師廖志敏博士帶領博士研究生何麗等，與都伯林聖三一學院的吳漢春博士等合作，在此研究方向取得最新進展。他們通過電化學沉積的方法制備出Ni納米線，并在新鮮的Ni納米線上制作金電極，然後将Ni納米線氧化，這樣在Ni納米線沒有被金覆蓋的部分就有一層NiO，最後在NiO上再制作一個電極。對NiO的電阻開關特性測量顯示，當限制電流比較小時，低電阻狀态在低電壓時不能存在；當限制電流比較大時，系統由高電阻态轉變為低電阻态，實現記憶性的電阻開關，當不加限制電流時，在大電流的作用下體系由低阻态向高阻态轉變。這種開關效應可以多次重複，從而實現非易失性的存儲功能。通過第一性原理計算，将氧原子移去，也就是形成氧空位鍊時，系統由絕緣态變成金屬态。在電場和焦耳熱的共同作用下，氧空位能夠發生遷移，但是，氧空位更容易形成團簇，而不是随機分布，通過氧空位與氧空位之間的相互作用來降低體系的自由能，破壞氧空位鍊比形成氧空位鍊需要克服更大的遷移勢壘，所以氧空位鍊可以穩定存在。他們還發現，通過電場來降低氧空位的遷移勢壘是非常有限的，這不足以導緻氧空位鍊的形成，而電流導緻的焦耳熱是NiO産生電阻開關的主要原因。相關工作發表于Nano Letters, 11, 4601 (2011). http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl202017k "Memory and Threshold Resistance Switching in Ni/NiO Core-shell Nanowires" by Li He, Zhi-Min Liao, Han-Chun Wu, Xiao-Xue Tian, Dong-Sheng Xu, Graham L. W. Cross, Georg S. Duesberg, I. V. Shvets, and Da-Peng Yu, Nano Letters 11, 4601 (2011). http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl202017k。該研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部973計劃以及介觀物理國家重點實驗室自主科研項目的大力資助。