强磁场辅助阻变纳米线合成及其性能研究

本项目合成MgO、TiOx及Ge2Sb2Te5纳米线并研究其阻变存储特性。针对阻变纳米线生长取向及排列不易控制的问题，通过强磁场辅助气-液-固法（即：金属催化剂诱导纳米线生长）合成取向一致、排列可控的纳米线。实验中，改变合成参数（如：磁场强度、磁场方向、合成温度、催化剂种类、气体流量等）生长阻变纳米线，并采用多种方式进行纳米线掺杂；通过X射线衍射谱、透射电子显微镜及扫描电子显微镜等检测手段表征纳米线，并研究合成参数及掺杂元素对纳米线取向生长的影响；同时制备基于纳米线的阻变存储器，研究合成参数及掺杂元素对纳米线阻变存储特性的影响。理论研究将以实验数据为基础，采用分子动力学构建数值模型，定性分析外场（磁场和温度场）对气-液-固法生长纳米线影响的机理。研究结果在纳电子器件制作方面将产生良好的应用前景，具有重要的科学意义与实用指导价值。

通过气相法和水热法合成了MgO及ZnO纳米线。为了研究掺杂及磁场对纳米线生长和物性的影响，纳米线生长过程中我们也进行了铜、铁掺杂或在其生长过程中施加磁场。研究表明，生长温度对纳米线生长机制有影响。600°C生长MgO纳米线顶端出现的纳米金属颗粒表明其通过VLS机制生长。反应物之间的剂量比与纳米线生长模式有紧密关联。反应物剂量失配将会导致过量给予的物质停留于纳米线侧壁，由此形成的侧面晶核有助于横向纳米线形成。通过水热法生长的ZnO纳米线是六角纤锌矿结构。我们观察到了由缺陷引起的拉曼偏振依赖性偏离了拉曼选择定则。研究表明，退火减少缺陷，可有效缓解这一偏离。磁场对ZnO纳米线有影响。施加磁场获得了更加均一排布的ZnO纳米线。特别对铁含量较高的ZnO纳米线而言，很多纳米线受到磁场的影响甚至“粘连”而形成完全一致的排布效果。我们也可以看到，磁场提高了（100）与（102）XRD衍射峰强之比，说明磁场有利于ZnO纳米线的取向生长。除此之外，其Raman光谱中E_2^high模的半高宽也受磁场影响而减小，这表明ZnO的六角纤锌矿结构得以加强，磁场能够提高ZnO纳米线的结晶质量。铜掺杂可以增加ZnO纳米线的直径，而铁掺杂减小直径并降低其生长密度。掺杂铜主要以CuO二次相的形式存在于ZnO纳米线中，这导致了许多可见缺陷并进一步产生可见绿光发射增强并降低UV发射峰强，氧空位被认为是这一缺陷的主要组成部分。然而，没有明显证据表明掺杂铁形成了可见二次相，这说明铁可能融入纳米线晶格。由于掺杂铁形成了新的非辐射复合机制，其可见发光强度得到抑制。另外，而由于掺杂铁的d壳层电子与ZnO中s和p壳层电子的相互作用，其UV发射峰的峰位也随铁掺杂而变化。氧化锌（掺铜与未掺杂样）表现出可逆的双极型阻变存储特性。由于铜掺杂引入了较为均一的人为缺陷，其改写（SET和RESET）电压的分散性也得到改善。