新型电致电阻功能材料的可控制备、性能和机理研究

基于氧化物材料中的巨电致电阻（CER）效应，可发展一种非易失性的阻变存储技术，它具有制备简单、擦写速度快、存储密度高、半导体工艺兼容性好等优点。CER效应的研究具有丰富的物理内涵，涉及凝聚态物理、化学、材料、信息科学等多个学科领域，包含强关联效应、界面效应、量子效应等基础性科学研究。因此CER效应的研究为新物理现象和新材料的发现提供了机遇，也对传统的存储技术提出了巨大的挑战。本项目拟开展的新型电致电阻氧化物薄膜的可控制备、性能和物理机理研究，是在我们已有研究基础上的拓展和深化。通过本项目的研究，合成具有响应速度快与稳定性好的新型氧化物材料，揭示影响CER效应的主要因素以及控制CER效应的最佳途径，阐明CER效应的物理机制，丰富和发展CER效应的理论和方法。

本项目围绕着新型电致电阻功能器件的物理机理、性能改进以及新材料新应用开发等相关方向开展了系统的研究工作，深入阐明了基于氧化物材料的阻变器件电致电阻效应的内在物理机理和驱动机制。以此为理论指导，提出了阻变器件结构设计和性能优化的技术方案，成功地制备出原型器件并得到了符合预期的实验验证。项目实施顺利，取得了一系列具有创新性的研究成果，主要包括：.1、在电致电阻效应物理机理研究方面：分析了在不同氧化物体系中单极阻变行为和双极阻变行为特征规律的异同，创新性地提出了基于界面层的氧化还原反应和基于细丝通道熔断的热化学效应这两种驱动机制之间具有相互促进相互竞争的关系；搭建了一套阻变效应电学动态过程测量系统，表征并研究了氧空位通道型氧化铪器件阻变层中氧离子迁移的热加速效应及其改善器件性能的作用；利用导电原子力显微镜在纳米尺度下对氧化物阻变层进行了分析和表征，获得了材料微观物理性质和宏观阻变性能之间的关联性；搭建了一套电致电阻效应动态过程光学测量系统，成功实现了对微米尺度氧化钨阻变器件的原位实时观测，利用此系统第一次发现了阻变过程中氧化层的精细结构，建立了器件阻变特性与导电通道形貌之间最直接的对应关系，并提出了双极型器件设计和性能优化的可行方案。.2、在电致电阻器件性能调控和优化方面：利用纳米银颗粒表面修饰方法有效地 改善了氧化锌阻变器件的均匀一致性，并通过导电扫描探针的手段进行了验证；基于界面工程设计并制备了一种非导电细丝通道型的氧化铜-硅双层器件，成功实现了具有良好一致性和连续可控阻态的忆阻器阻变行为。.3、在新材料新应用开发方面：系统研究了室温多铁材料铁酸铋的电输运行为、铁电性和光电特性之间的关联性，阐明了铁酸铋材料中铁电极化电荷、铁电畴重构和氧空位缺陷分布对其器件特性的影响和调控作用，展示了其作为新型多功能器件的应用前景。.项目实施期间，我们围绕任务书的研究内容和研究目标稳步开展了课题研究工作，圆满完成了任务书计划，相关的研究工作成果整理发表SCI论文18篇，申请国内发明专利1项。