NiO纳米线阻变存储效应

电阻开关 resistance switching (RS) 现象也就是器件电阻在外电场作用下能够在低阻态和高组态上可逆地转换。它具有结构简单、响应速度快，在断电的情况下也能保存数据，有更高的存储密度，可以将内存和硬盘的功能结合在一起等优点，可以用作电阻型随机存储器resistance random access memory (ReRAM)。在许多金属氧化物中都观测到电阻开关效应，NiO作为一种典型的过渡族金属氧化物，近年来被广泛研究。通常有两种形式的RS效应，记忆型RS（memory RS）和阈RS（threshold RS）。对于记忆型RS，高阻态和低阻态在零偏压下都是稳定的，可以用作非易失性存储；但是对于阈RS，仅仅高阻态在零偏压下是稳定的，这阻碍了器件的进一步应用。因此，找到一种有效的控制电阻开关类型的方法并理解其中的物理原理是相关领域急需解决的一个关键问题。

物理学院俞大鹏教授研究团队的青年教师廖志敏博士带领博士研究生何丽等，与都伯林圣三一学院的吴汉春博士等合作，在此研究方向取得最新进展。他们通过电化学沉积的方法制备出Ni纳米线，并在新鲜的Ni纳米线上制作金电极，然后将Ni纳米线氧化，这样在Ni纳米线没有被金覆盖的部分就有一层NiO，最后在NiO上再制作一个电极。对NiO的电阻开关特性测量显示，当限制电流比较小时，低电阻状态在低电压时不能存在；当限制电流比较大时，系统由高电阻态转变为低电阻态，实现记忆性的电阻开关，当不加限制电流时，在大电流的作用下体系由低阻态向高阻态转变。这种开关效应可以多次重复，从而实现非易失性的存储功能。通过第一性原理计算，将氧原子移去，也就是形成氧空位链时，系统由绝缘态变成金属态。在电场和焦耳热的共同作用下，氧空位能够发生迁移，但是，氧空位更容易形成团簇，而不是随机分布，通过氧空位与氧空位之间的相互作用来降低体系的自由能，破坏氧空位链比形成氧空位链需要克服更大的迁移势垒，所以氧空位链可以稳定存在。他们还发现，通过电场来降低氧空位的迁移势垒是非常有限的，这不足以导致氧空位链的形成，而电流导致的焦耳热是NiO产生电阻开关的主要原因。相关工作发表于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。该研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部973计划以及介观物理国家重点实验室自主科研项目的大力资助。