聚焦創(chuàng)新探索 提升阻變性能

劉婉茹

金屬/氧化物異質(zhì)結(jié)是金屬功能材料和器件物理研究的熱點(diǎn)課題之一。金屬/氧化物異質(zhì)結(jié)非易失性阻變器件具有多態(tài)存儲(chǔ)能力、穩(wěn)定性能較好，開展相關(guān)研究對(duì)推進(jìn)阻變存儲(chǔ)器實(shí)用化進(jìn)程具有相當(dāng)重要的意義。

2006年起，顏志波就開始從事過渡金屬氧化物的龐磁電阻、非易失性電阻開關(guān)及多鐵性的研究。工欲善其身，必先利其器。在材料合成與樣品制備方面，顏志波熟練地應(yīng)用固相反應(yīng)法、溶膠-凝膠法、PLD、磁控濺射等手段；在實(shí)驗(yàn)建設(shè)方面，他能夠利用PPMS系統(tǒng)和各種電壓/電流源表并應(yīng)用LabView軟件自行搭建各種實(shí)驗(yàn)測(cè)試與采集系統(tǒng)；在材料表征及樣品性能分析方面，他熟悉SEM、TEM、SPM、鐵電測(cè)試系統(tǒng)、電阻開關(guān)測(cè)試系統(tǒng)以及多種Agilent和Keithley源表等多種實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段。手握各種技術(shù)方法，顏志波在研究中更加游刃有余。

突破RRAM性能

在一些由金屬/絕緣體/金屬三明治結(jié)構(gòu)組成的器件中，人們只需通過不同電場(chǎng)脈沖就能控制器件的非易失性電阻狀態(tài)，這也稱做“阻變效應(yīng)”，據(jù)此可制成用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的電阻式隨機(jī)存儲(chǔ)器（RRAM）。相比于當(dāng)前廣泛使用的巨磁阻（GMR）和閃存（Flash）等主流存儲(chǔ)技術(shù)，RRAM因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高、成本低、速度快、壽命長(zhǎng)和功耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)，備受當(dāng)今世界科技界的廣泛關(guān)注，它自然也成為下一代非揮發(fā)性存儲(chǔ)器最有潛力的代表之一。

顏志波對(duì)科研是一種濃厚興趣之下的追逐?！皬奈锢頇C(jī)制來看，產(chǎn)生阻變效應(yīng)的具體物理機(jī)制多種多樣”，他娓娓道來，阻變機(jī)制一般可分為細(xì)絲型阻變、非細(xì)絲型阻變以及兩種情況共存。相對(duì)于細(xì)絲型阻變器件，非細(xì)絲型阻變器件可一定程度避免導(dǎo)電細(xì)絲的隨機(jī)行為，有著更為穩(wěn)定的電阻變化過程，“這類器件利用鐵電極化反轉(zhuǎn)改變界面電荷分布從而實(shí)現(xiàn)阻變效應(yīng)，因其所依賴的鐵電極化態(tài)具有較高穩(wěn)定性和抗疲勞特性而被受青睞。”

然而，串聯(lián)在異質(zhì)結(jié)上鐵電薄膜電阻通常很大，縮小了器件高低電阻比值，這意味著需要制備超?。?10 nm）或具有較小帶隙（～1.0-2.0eV）的高質(zhì)量鐵電薄膜以維持較高高低電阻比值。事實(shí)上，除了薄膜，人們也可以用無苛刻厚度要求的氧化物材料來替代超薄鐵電薄膜，并利用金屬/氧化物異質(zhì)結(jié)界面載流子的注入與釋放機(jī)制來實(shí)現(xiàn)高性能非細(xì)絲型阻變器件。

科研絕非易事，制備氧化物材料所遇的重要問題和挑戰(zhàn)同樣很多，簡(jiǎn)單來說就是其穩(wěn)定性能低，并存在疲勞現(xiàn)象?！爱?dāng)大量載流子聚集在界面并且其它位置的載流子溶度又很低時(shí)，一部分被束縛的載流子將會(huì)通過熱漲落和量子隧穿向低濃度區(qū)擴(kuò)散，形成低阻態(tài)隨時(shí)間弛豫，嚴(yán)重影響低阻態(tài)穩(wěn)定性；外電場(chǎng)引起載流子注入與釋放過程中，部分缺陷本身也有可能在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下發(fā)生移動(dòng)。與載流子注入和釋放過程所不同的是，缺陷在界面或晶格中的移動(dòng)過程中還同時(shí)受到其它一些不可逆因素的影響，這將導(dǎo)致高低電阻態(tài)在開關(guān)循環(huán)過程中不能完全恢復(fù)，表現(xiàn)為疲勞現(xiàn)象?！?/p>

于是在2014年，顏志波順利申請(qǐng)到國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目“基于金屬/氧化物異質(zhì)結(jié)的阻變穩(wěn)定性能及其機(jī)制研究”。隨即，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)以金屬/摻雜鈦酸鍶氧化物異質(zhì)結(jié)為主要研究對(duì)象，關(guān)注發(fā)展提高阻變性能穩(wěn)定性的物理方法，計(jì)劃通過采用多種金屬/氧化物異質(zhì)結(jié)制備技術(shù)與界面處理手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬/氧化物異質(zhì)結(jié)界面的空間微結(jié)構(gòu)調(diào)控，揭示異質(zhì)結(jié)界面微結(jié)構(gòu)對(duì)阻變性能穩(wěn)定性的重要作用。并在此基礎(chǔ)上，嘗試制備與表征具有阻變效應(yīng)的金屬基異質(zhì)結(jié)量子阱，揭示量子阱的阻變行為。另外，研究最佳“讀”和“寫”策略，以改善金屬/氧化物異質(zhì)結(jié)阻變器件的穩(wěn)定性能。

此項(xiàng)目的創(chuàng)新之處在于通過人工調(diào)控金屬/氧化物異質(zhì)結(jié)界面微結(jié)構(gòu)的辦法來改善器件的電阻態(tài)穩(wěn)定性及疲勞特性，這是調(diào)控異質(zhì)結(jié)界面附近缺陷密度、位置分布、缺陷阱深度等的有效方法，也是調(diào)節(jié)低阻態(tài)穩(wěn)定性和阻變抗疲勞特性的非常重要的方法。目前，這方面的研究還很少。此外，到目前為止還幾乎沒人把異質(zhì)結(jié)量子阱概念應(yīng)用到阻變存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)中，因此嘗試開展量子阱的阻變效應(yīng)研究非常具有創(chuàng)新意義。最后，還有一個(gè)經(jīng)常被忽略，但在器件的實(shí)際應(yīng)用中卻有重要價(jià)值的問題，即顏志波所提出的“通過在金屬/異質(zhì)結(jié)上制備具有非線性電阻率的氧化物薄膜，選擇合適的‘讀‘寫電壓脈沖，實(shí)現(xiàn)阻變穩(wěn)定性能的改善”。通過這幾大創(chuàng)新和新的嘗試，會(huì)為RRAM的發(fā)展帶來突破和機(jī)遇。

顏志波主要依托于南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室完成項(xiàng)目研究。據(jù)悉，該實(shí)驗(yàn)室在新型低維材料制備、固體微結(jié)構(gòu)觀測(cè)和凝聚態(tài)物性表征方面均有較為系統(tǒng)完善的科研技術(shù)手段，可為項(xiàng)目的開展提供充分的支撐。經(jīng)過兩余年的艱苦攻關(guān)，項(xiàng)目即將于2016年年底結(jié)題，預(yù)計(jì)屆時(shí)可以制備出不同界面微結(jié)構(gòu)的金屬/氧化物異質(zhì)結(jié)樣品，揭示界面微結(jié)構(gòu)是如何影響和提高阻變性能穩(wěn)定性的；同時(shí)成功制備具有阻變效應(yīng)的量子阱樣品，并揭示量子阱結(jié)構(gòu)對(duì)阻變性能，尤其是對(duì)低電阻態(tài)穩(wěn)定性及抗疲勞特性的作用。

走過科研十年

多年來，顏志波一直密切關(guān)注學(xué)術(shù)前沿?zé)狳c(diǎn)問題，并積極投身國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)交流會(huì)議，在國(guó)內(nèi)每年舉辦的《秋季物理學(xué)會(huì)》、2010年7月在蘇州舉辦的《先進(jìn)非易失性存儲(chǔ)材料與器件國(guó)際會(huì)議》和2011年11月在美國(guó)菲尼克斯舉辦的MMM會(huì)議《磁學(xué)和磁學(xué)材料會(huì)議》上都曾留下過他作報(bào)告的身影。在復(fù)雜氧化物的非易失性電阻開關(guān)效應(yīng)研究領(lǐng)域，顏志波積累了豐富的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)、較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)與理論分析能力和較為扎實(shí)的學(xué)術(shù)寫作本領(lǐng)。

這一切都源自他在南京大學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)專業(yè)進(jìn)行博士研究的經(jīng)歷。在讀博的這5年里，顏志波師從教育部“長(zhǎng)江特聘教授”劉俊明教授。漫漫求學(xué)之路上，劉俊明教授好似一盞明燈為顏志波照亮前方的道路，而他也從導(dǎo)師身上汲取到寶貴的科研精神，“不管有沒有天賦，都要勤奮，要積極投入，認(rèn)真對(duì)待”。他也常常是拖著疲憊的身體、披星戴月回到家中。也許正是這份執(zhí)著與拼搏，使顏志波收獲了豐碩的科研果實(shí)。

在龐磁電阻錳氧化物中，顏志波發(fā)現(xiàn)由外電場(chǎng)的本征作用而引起的電阻跳變是易失性的，而由外電場(chǎng)/電流所引起的焦耳熱能夠引起系統(tǒng)電子相分離微結(jié)構(gòu)的重構(gòu)并導(dǎo)致電阻狀態(tài)非易失性的改變。他還通過實(shí)驗(yàn)指出，人們可以通過利用電流/電壓脈沖的焦耳熱調(diào)控電子相分離態(tài)的方法實(shí)現(xiàn)非易失性電阻狀態(tài)的控制。

在摻雜鐵電氧化物（YMnO3和BaTi1-xCoxO3）薄膜中，他測(cè)得了高性能的阻變效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，高電場(chǎng)破壞庫(kù)侖勢(shì)壘并導(dǎo)致樣品中導(dǎo)電細(xì)絲的形成，實(shí)現(xiàn)從高阻到低阻的轉(zhuǎn)變；而局部焦耳熱引起的氧空位/氧離子的熱擴(kuò)散又導(dǎo)致了傳導(dǎo)細(xì)絲的熔斷，實(shí)現(xiàn)了從低阻到高阻的轉(zhuǎn)變；另外，研究指出摻雜引起的局部巡游電子、易變價(jià)的金屬離子、以及有足夠高密度的氧空位濃度等因素都將有助于局部區(qū)域穩(wěn)定的金屬-絕緣體相變的發(fā)生，具有重要的指導(dǎo)意義。

在Ag/DyMnO3/Ag/DyMnO3/Pt器件中，他對(duì)新鮮樣品不斷進(jìn)行I-V循環(huán)能，從而使器件從簡(jiǎn)單的雙極阻變行為演化為特定的雙極阻變行為，它不僅能解決阻變器件中的sneak path問題，還可直接應(yīng)用于三維堆垛的RRAM器件中。

……

從2006年到2016年，在科研的道路上顏志波已經(jīng)走過了10個(gè)春夏秋冬。人們常說“十年磨一劍”，對(duì)于顏志波來說，這僅僅是他的第一個(gè)10年，未來，還會(huì)有更多的10年、20年。因?yàn)?，科研是要用一生的精力去追求的。endprint