缺陷行为对于二氧化铈忆阻转变机制影响的理论研究

Memristor and related materials have received wide attention in recent years. Rare earth oxides, especially CeO2, exhibit high oxygen storage/release capability due to the facile oxygen vacancy formation and elimination. This leads to continuous change of conductance between a high-resistance state and a low-resistance state, i.e., the resistive switching behavior. Therefore, CeO2 is a promising material for memristive devices. Resistive switching behavior is closely related to the microscopic behavior of defects. However, the atomic physical mechanism underlying CeO2 based resistive switching device is still unclear. In this project, via first-principles calculations, we will perform a systematic study on effects of defects on the physical properties of CeO2. We will investigate the formation and diffusion behaviors of different types of defects (such as oxygen vacancies, polarons, cerium vacancies, and hydrogen), and the defect clusters (oxygen-vacancy cluster, oxygen-vacancy and cerium-vacancy clusters). The effects of defects on the electronic structures of CeO2 will be discussed in detail. Furthermore, we will explore defects distributed in the bulk, grain boundary, and surface of CeO2 to reveal their different contributions to the electronic properties. We expect this study to provide a microscopic picture of resistive switching mechanisms associated with defects, and shed light on future exploration and application of memristive devices.

忆阻器及材料是近年来的一个研究热点。稀土氧化物CeO2具有优异的储氧/放氧能力，其氧缺陷的快速形成与合并会导致材料导电性的变化，是一种十分有潜力的忆阻器材料。材料缺陷的微观行为是影响其忆阻转变效应的关键因素。然而，目前缺陷的电子结构及忆阻器的物理机制还不清楚。本项目将利用第一原理计算方法，系统研究CeO2中不同种类的缺陷（氧空位、极化子、铈空位、氢杂质等）以及缺陷团簇（氧空位-氧空位、氧空位-铈空位等）的物理特性与扩散过程。分析缺陷对于CeO2电子结构的影响，探讨分布在不同位置的缺陷（体内、晶界、表面）的微观行为，给出材料阻变效应的物理图像，为CeO2在阻变式存储器的实际应用做理论指导。

忆阻器是一种新兴电子储存器件，在外加电场作用下，忆阻器的阻值会随电压在高阻态与低阻态之间进行转换，从而实现数据快速存储。CeO2材料中具有丰富的氧空位缺陷，而且Ce离子价态可调，这种特性使得CeO2成为一种十分具有潜力的忆阻器介质层材料。. 本项目旨在揭示CeO2基忆阻器材料的忆阻转变机制，阐明CeO2中的缺陷行为对材料忆阻转变行为的影响规律，为氧化铈基阻变式存储器的实际应用提供理论依据。围绕项目目标，在以下四方面内容开展研究：1. CeO2体内不同类型缺陷以及缺陷团簇的形成，包括：极化子、氧空位、氢离子、以及这三种点缺陷之间形成的缺陷复合体；2. 不同类型缺陷及缺陷团簇对于CeO2电子能带结构的改变；3. 不同类型缺陷的扩散路径与能垒；4. CeO2(111)薄膜中的缺陷行为。. 我们通过研究给出了CeO2中缺陷行为的物理图像，提出了一种新的极化子诱导CeO2忆阻转变机制。极化子是影响氧化铈导电性能的关键缺陷，具有极低的形成能与扩散能垒。氧空位或氢离子都可以作为电子施主，与极化子形成缺陷复合体，降低极化子的迁移能垒；当缺陷复合体形成更大团簇时，遵循“缺陷间距最大化”的一般规律。CeO2的忆阻转变行为由极化子所主导，外加电场可以调节极化子与氧空位之间的相对热力学稳定性，从而导致体系在绝缘态与金属态之间发生转换。. 本项目发现的极化子诱导机制为解释忆阻材料的阻变行为机理提供了新的依据，适用于一系列具有多价态阳离子的氧化物基忆阻器件；CeO2材料中缺陷形成与结构排布一般规律的阐明，也对通过“缺陷工程”来调控氧化物材料的功能性有重要的参考价值。