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钒酸铋材料中量子电导现象的发现

已有 1508 次阅读 2020-7-23 09:33 |系统分类:论文交流

宏观量子现象是物理学中热点问题之一,根据兰道尔理论,常温下的量子电导是通过形成一维导电通道得以实现的。阻变随机存储器作为新型存储机制因其简单的三明治结构,易制备,可用于人脑计算模拟,有多级存储潜能等优点而被广泛研究。其存储机理是基于链接上下电极的导电通道在电压得控制下形成或者断裂完成对逻辑电路“0”“1”的模拟。在之前的绝大多数材料中,导电通道的形成很大程度取决于电极材料的,这使得这里器件中观测的量子电导现象不够干净。Bi系氧化物拥有多氧空位和Bi离子易被还原成Bi金属的特点,所以寻找合适的Bi系化合物,利用其中的氧空位和铋离子在电场下发生自还原可以排除掉外加电极对导电阻丝的影响而帮助我们理解常温下的量子电导现象。而且我们的研究表明通过改变通道两端的化学势或改变通道的直径可改变电导值。

鉴于此,北京航空航天大学物理学院表面物理与拓扑物质课题组与河北大学电子信息与工程学院合作获得了以BiVO4(图1a)为介质材料对电极依赖性弱的阻变器件(图1b),并证明了BiVO4基质中Bi丝的量子化电导(QC)性质(图1d)。通过对I-V曲线的测量研究了其阻变特质,发现了其具有稳定开关比和良好长期保持能力。另外两种惰性材料TiNPd被用作顶电极,以排除电极对RS状态和QC行为的影响。X射线光电子能谱和输运测试结果表明,导电丝由元素铋组成(图3a-c)。BiVO4中自然存在的氧空位在BiVO4RRAM器件中形成导电通道的过程中起到了催化剂的作用,这是该器件在顶部电极类型中观察到开关性能弱依赖性的主要原因(图3d)。此外,我们根据兰道尔理论和无限深势阱模型计算了Bi丝的大概直径(图4b),更好的理解了量子电导的成因,向着多级存储应用迈进了一步。我们的研究结果清楚地表明,BiVO4可以成为实现高扩展性、高循环耐久性和多层次存储RRAM设备的一个新平台。近日,该项工作以“The role of oxygen vacancies in the high cycling endurance and quantum conductance in BiVO4-based resistive switching memory”为题发表于InfoMat, 2020,2:960-967上,文章的第一作者是北京航空航天大学物理学院博士生赵梦婷。

文章链接为:https://doi.org/10.1002/inf2.12085

 Figure 1.jpg

1. a)单斜白钨矿BiVO4的多面体结构。VO4四面体和BiO8十二面体分别用红色和蓝色填充。b)夹层Ti/BiVO4/FTO结构示意图。cTi/BiVO4/FTO器件的RS特性。d)在复位过程中测量的电导与Ti/BiVO4/FTO器件的偏压的函数关系,并在插图中显示相应的I-V曲线。

Figure 2.jpg

2. a)导电通道形成前后BiVO4薄膜的XPS变化。有导电通道和无导电通道的BiVO4薄膜bBi 4fcO 1s光谱的比变化。dSETRESET过程的原理图或动态机制。e 用典型的四探针法测量了以形成导电通道(LRS态)的BiVO4薄膜以温度为变量的归一化电阻。

 Figure 3.jpg

3. a)在TiN/BiVO4/FTO Pd/BiVO4/FTO器件中测量到的量子电导台阶。b)在不同顶电极器件中的Bi丝直径的计算结果。c)在施加几百纳秒带宽的脉冲电压下器件的量子电导行为。




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1 王安良

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