基于三氧化鎢納米線憶阻器的納米電離子學研究.pdf

1、納米電離子學是研究納米尺度內固體中電子-離子耦合輸運現(xiàn)象、規(guī)律、物理機制及其應用的一門新型學科。當電子學器件的特征尺寸進入到納米尺度，外加偏壓所激發(fā)的電場在激勵電子漂移的同時，足以引起離子產生顯著漂移，從而導致器件的電學性能發(fā)生顯著變化而具有新奇的物理特性。基于憶阻效應有望實現(xiàn)超高密度存儲、計算和存儲融合、及人工神經網絡等。然而，由于電子-離子耦合輸運微觀機制不清晰，導致所構筑器件原型性能分散、穩(wěn)定性差，從而制約其應用前景。因此，在納米

2、尺度內設計電子-離子耦合輸運，構筑性能穩(wěn)定和可調控的新型電離子器件已成為新的挑戰(zhàn)和機遇。沿[001]方向生長的六方晶相三氧化鎢單晶納米線內存在軸向的準一維孔道，有望實現(xiàn)離子在納米孔道內的可逆漂移，是研究電子-離子在納米尺度下耦合輸運的理想材料體系。
　　本文選擇六方晶相三氧化鎢單晶納米線作為研究對象。采用水熱法實現(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，構筑了基于單根納米線的二端電子學器件，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生的氫離子漂移和納米孔道內氫離子漂移對器件憶阻性能的影響。代表性研究結果如下:
　　1、基于氧空位漂移而導致的接觸勢壘變化，構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壘，金/三氧化鎢納米線/金二端器件可等效為兩個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，帶正電荷的氧空位在外加偏壓所產生電場的驅動下，向反偏的肖特基勢壘聚集，引起反偏肖特

4、基勢壘寬度減小，從而導致器件電阻發(fā)生顯著變化而具有憶阻效應。當單方向重復掃描或大偏壓掃描時，反偏肖特基勢壘附近氧空位濃度將顯著增加，導致該肖特基接觸轉變?yōu)闅W姆接觸。在此基礎上構筑導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濕度下的電輸運特性，研究了水分子吸附對器件憶阻性能的影響。測試結果表明，當測試環(huán)境相對濕度小于51％時，相對濕度對器件的憶阻性能影響不明

5、顯;而當測試環(huán)境相對濕度大于51％時，器件的憶阻性能得到顯著提升。三氧化鎢具有獨特的能帶結構，其價帶頂高于水分子氧化能級O2/H2O，而導帶底低于氫離子還原能級H+/H2。因此，電壓掃描時，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生O2和H+，而負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時，才能還原H+。當相對濕度較低時（小于51％），電壓掃描時正極附近產生的少量H+在電壓掃描方向改變后能被還原，對器件電學性能無顯

6、著影響。當相對濕度較高時（大于51％），三氧化鎢納米線表面形成水膜（物理吸附層≥2），正極附近產生的H+通過格羅特胡斯機理持續(xù)向負極漂移、聚集，導致N型三氧化鎢納米線在負極附近被截止。當負極注入的電子能量高于氫離子還原能級，H+迅速被還原，從而導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控三氧化鎢納米線器件的憶阻性能。研究了相對濕度、掃描偏壓值、掃描次數

7、、激光輻照和氣體氛圍等因素對三氧化鎢納米線器件電輸運性能的影響。實驗結果表明，在大相對濕度條件下重復偏壓掃描，或激光輻照注入大量電子空穴對后，將導致納米線上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變?yōu)闅滏u青銅納米線，實現(xiàn)納米線絕緣體-金屬轉變。當轉變后的器件置于氧氣中或在低濕度下重復偏壓掃描時，氫鎢青銅納米線中的H+濃度將會減小。通過調控H+濃度，納米線中的氫鎢青銅導電絲在偏壓掃描過程中可以形成和斷開，從

8、而實現(xiàn)三氧化鎢納米線器件從模擬型憶阻器向數字型憶阻器的轉變。
　　4、單晶六硼化釤拓撲絕緣體納米線可控制備及其表面電輸運研究。采用氯化硼和氯化釤作為反應源，通過化學氣相沉積法實現(xiàn)了大面積單晶拓撲近藤絕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)電子衍射結果表明納米線沿[100]方向生長。在硼源不充足的情況下，反應物更趨向于在最易到達的面上結合，實現(xiàn)取向生長，產物形貌為納米線。隨著硼源濃度增大，硼和釤可以在多個等能面上結合，當