电流驱动二氧化钒动态相变机理的原位电镜研究

To build field effect transistor using VO2, a sufficiently large electric field is needed to trigger its phase transition, which is harsh for data storage. The metal and semiconductor domains in VO2 form Schottky junction at the domain wall, which enables migration of domain wall even at a pretty small current. Binary “0” and “1” are stored in the way of moving metal-semiconductor domains. But now, the associated mechanism is not clear, especially the response of domain dynamic to the current, resulting in a poor stability of migration. In this project, utilizing in-situ TEM, VO2 nanowire is to be compressed and bent to tailor its domain structure while lithiation is employed to raise interface effect. Based on these modulation, tunable current is applied to the nanowire to study the effect of current and domain structure on the velocity of domain motion. The synergy mechanism of current and strain to drive the domain wall motion will be clarified. The effect of interface effect on the migration dynamic will be pursued. According to the well-established physical mechanism of current-driven dynamic phase transition in VO2, we will realize the controllable domain migration and meanwhile, provide experimental and theoretical basis for the development of new storage materials and architectures.

通过场效应触发二氧化钒发生金属-半导体相转变需要较大的电场强度，限制了其存储应用。利用金属-半导体相界面特殊的肖特基结电子结构，较小的电流就可以驱动畴界移动，从而将二进制“0”和“1”存储在移动的金属和半导体畴中。但是，目前畴迁移动力学对电流的响应机理尚不清楚，导致畴界移动的可控性较差。为此，本项目拟在原位透射电镜下利用压缩或弯曲二氧化钒纳米线获得不同的畴结构，借助锂化构筑界面效应，来调控二氧化钒纳米线的相变热力学。在此基础上，调节电流大小优化相变驱动力，研究电流大小对金属-半导体畴迁移速率的影响关系，阐明电流和应变协同作用下畴界定向迁移的规律，探索畴迁移动力学的界面效应。最终建立电流驱动二氧化钒动态相变的物理机制，实现畴的可控迁移，为新型存储材料、存储架构的开发提供基础实验和理论依据。

外场刺激下二氧化钒金属半导体两相会以畴结构的形式进行动态转变，建立外场信号对动态相变的控制理论使畴结构转变在可控方式下进行，将直接推动二氧化钒动态相转变在存储、致动等领域的应用。为此，本项目开展了电流与金属半导体畴界面交互作用和电磁场响应的二氧化钒微柱致动器阵列设计两个方面的研究。主要结论有：1. 金属半导体畴组成的赛道存储器。电流能够通过帕尔贴效应驱动金属半导体畴壁在一维纳米线上沿电流方向移动，移动速率可以通过电流的大小进行调控。在原位电镜下，金属半导体两相的电子衍射不同，选区光阑借此作为“读头”可以依次读出移动的金属半导体畴。2. 探针构筑的场效应架构。探针通过微区压应变在金属相二氧化钒中产生并牵引半导体畴同步在金属相中移动，移动探针使半导体沿电流方向移动时二氧化钒两端处于高阻态，逆电流方向移动时二氧化钒两端处于低阻态，实现开关效应。3. 电磁场响应的微柱致动器阵列。微柱致动器由二氧化钒纳米线和其他功能镀层构成，微柱致动器阵列的弯曲程度可精确调控，电磁感应加热原理用于触发二氧化钒相变从而激发致动器由弯变直将电磁能转化为机械能，微柱致动器阵列实现了水环境中阵列表面物体的输运和操控。电流可以驱动金属半导体畴的迁移，而畴的移动也可以通过电流进行探测，多层结构设计的微柱致动器阵列使二氧化钒动态相变能够通过电磁场进行控制。这些研究结果建立了外场调控二氧化钒动态相变的基本理论规律，揭示了相关器件的雏形和基本工作原理。