本刊記者 劉婉茹

聚焦創(chuàng)新探索 提升阻變性能
——記南京大學物理學院副教授顏志波

本刊記者 劉婉茹

金屬/氧化物異質(zhì)結是金屬功能材料和器件物理研究的熱點課題之一。金屬/氧化物異質(zhì)結非易失性阻變器件具有多態(tài)存儲能力、穩(wěn)定性能較好，開展相關研究對推進阻變存儲器實用化進程具有相當重要的意義。

2006年起，顏志波就開始從事過渡金屬氧化物的龐磁電阻、非易失性電阻開關及多鐵性的研究。工欲善其身，必先利其器。在材料合成與樣品制備方面，顏志波熟練地應用固相反應法、溶膠-凝膠法、PLD、磁控濺射等手段；在實驗建設方面，他能夠利用PPMS系統(tǒng)和各種電壓/電流源表并應用LabView軟件自行搭建各種實驗測試與采集系統(tǒng)；在材料表征及樣品性能分析方面，他熟悉SEM、TEM、SPM、鐵電測試系統(tǒng)、電阻開關測試系統(tǒng)以及多種Agilent和Keithley源表等多種實驗技術手段。手握各種技術方法，顏志波在研究中更加游刃有余。

突破RRAM性能

在一些由金屬/絕緣體/金屬三明治結構組成的器件中，人們只需通過不同電場脈沖就能控制器件的非易失性電阻狀態(tài)，這也稱做“阻變效應”，據(jù)此可制成用于數(shù)據(jù)存儲的電阻式隨機存儲器（RRAM）。相比于當前廣泛使用的巨磁阻（GMR）和閃存（Flash）等主流存儲技術，RRAM因具有結構簡單、集成度高、成本低、速度快、壽命長和功耗低等諸多優(yōu)點，備受當今世界科技界的廣泛關注，它自然也成為下一代非揮發(fā)性存儲器最有潛力的代表之一。

顏志波對科研是一種濃厚興趣之下的追逐。“從物理機制來看，產(chǎn)生阻變效應的具體物理機制多種多樣”，他娓娓道來，阻變機制一般可分為細絲型阻變、非細絲型阻變以及兩種情況共存。相對于細絲型阻變器件，非細絲型阻變器件可一定程度避免導電細絲的隨機行為，有著更為穩(wěn)定的電阻變化過程，“這類器件利用鐵電極化反轉改變界面電荷分布從而實現(xiàn)阻變效應，因其所依賴的鐵電極化態(tài)具有較高穩(wěn)定性和抗疲勞特性而被受青睞?！?/p>

然而，串聯(lián)在異質(zhì)結上鐵電薄膜電阻通常很大，縮小了器件高低電阻比值，這意味著需要制備超薄（<10nm）或具有較小帶隙（~1.0-2.0eV）的高質(zhì)量鐵電薄膜以維持較高高低電阻比值。事實上，除了薄膜，人們也可以用無苛刻厚度要求的氧化物材料來替代超薄鐵電薄膜，并利用金屬/氧化物異質(zhì)結界面載流子的注入與釋放機制來實現(xiàn)高性能非細絲型阻變器件。

科研絕非易事，制備氧化物材料所遇的重要問題和挑戰(zhàn)同樣很多，簡單來說就是其穩(wěn)定性能低，并存在疲勞現(xiàn)象?！爱敶罅枯d流子聚集在界面并且其它位置的載流子溶度又很低時，一部分被束縛的載流子將會通過熱漲落和量子隧穿向低濃度區(qū)擴散，形成低阻態(tài)隨時間弛豫，嚴重影響低阻態(tài)穩(wěn)定性；外電場引起載流子注入與釋放過程中，部分缺陷本身也有可能在電場驅(qū)動下發(fā)生移動。與載流子注入和釋放過程所不同的是，缺陷在界面或晶格中的移動過程中還同時受到其它一些不可逆因素的影響，這將導致高低電阻態(tài)在開關循環(huán)過程中不能完全恢復，表現(xiàn)為疲勞現(xiàn)象?！?/p>

于是在2014年，顏志波順利申請到國家自然科學青年基金項目“基于金屬/氧化物異質(zhì)結的阻變穩(wěn)定性能及其機制研究”。隨即，他帶領團隊以金屬/摻雜鈦酸鍶氧化物異質(zhì)結為主要研究對象，關注發(fā)展提高阻變性能穩(wěn)定性的物理方法，計劃通過采用多種金屬/氧化物異質(zhì)結制備技術與界面處理手段，實現(xiàn)對金屬/氧化物異質(zhì)結界面的空間微結構調(diào)控，揭示異質(zhì)結界面微結構對阻變性能穩(wěn)定性的重要作用。并在此基礎上，嘗試制備與表征具有阻變效應的金屬基異質(zhì)結量子阱，揭示量子阱的阻變行為。另外，研究最佳“讀”和“寫”策略，以改善金屬/氧化物異質(zhì)結阻變器件的穩(wěn)定性能。

此項目的創(chuàng)新之處在于通過人工調(diào)控金屬/氧化物異質(zhì)結界面微結構的辦法來改善器件的電阻態(tài)穩(wěn)定性及疲勞特性，這是調(diào)控異質(zhì)結界面附近缺陷密度、位置分布、缺陷阱深度等的有效方法，也是調(diào)節(jié)低阻態(tài)穩(wěn)定性和阻變抗疲勞特性的非常重要的方法。目前，這方面的研究還很少。此外，到目前為止還幾乎沒人把異質(zhì)結量子阱概念應用到阻變存儲器設計中，因此嘗試開展量子阱的阻變效應研究非常具有創(chuàng)新意義。最后，還有一個經(jīng)常被忽略，但在器件的實際應用中卻有重要價值的問題，即顏志波所提出的“通過在金屬/異質(zhì)結上制備具有非線性電阻率的氧化物薄膜，選擇合適的‘讀’‘寫’電壓脈沖，實現(xiàn)阻變穩(wěn)定性能的改善”。通過這幾大創(chuàng)新和新的嘗試，會為RRAM的發(fā)展帶來突破和機遇。

顏志波主要依托于南京大學固體微結構實驗室完成項目研究。據(jù)悉，該實驗室在新型低維材料制備、固體微結構觀測和凝聚態(tài)物性表征方面均有較為系統(tǒng)完善的科研技術手段，可為項目的開展提供充分的支撐。經(jīng)過兩余年的艱苦攻關，項目即將于2016年年底結題，預計屆時可以制備出不同界面微結構的金屬/氧化物異質(zhì)結樣品，揭示界面微結構是如何影響和提高阻變性能穩(wěn)定性的；同時成功制備具有阻變效應的量子阱樣品，并揭示量子阱結構對阻變性能，尤其是對低電阻態(tài)穩(wěn)定性及抗疲勞特性的作用。

走過科研十年

多年來，顏志波一直密切關注學術前沿熱點問題，并積極投身國內(nèi)外相關領域的學術交流會議，在國內(nèi)每年舉辦的《秋季物理學會》、2010年7月在蘇州舉辦的《先進非易失性存儲材料與器件國際會議》和2011年11月在美國菲尼克斯舉辦的MMM會議《磁學和磁學材料會議》上都曾留下過他作報告的身影。在復雜氧化物的非易失性電阻開關效應研究領域，顏志波積累了豐富的實驗經(jīng)驗、較強的實驗與理論分析能力和較為扎實的學術寫作本領。

這一切都源自他在南京大學凝聚態(tài)物理學專業(yè)進行博士研究的經(jīng)歷。在讀博的這5年里，顏志波師從教育部“長江特聘教授”劉俊明教授。漫漫求學之路上，劉俊明教授好似一盞明燈為顏志波照亮前方的道路，而他也從導師身上汲取到寶貴的科研精神，“不管有沒有天賦，都要勤奮，要積極投入，認真對待”。他也常常是拖著疲憊的身體、披星戴月回到家中。也許正是這份執(zhí)著與拼搏，使顏志波收獲了豐碩的科研果實。

在龐磁電阻錳氧化物中，顏志波發(fā)現(xiàn)由外電場的本征作用而引起的電阻跳變是易失性的，而由外電場/電流所引起的焦耳熱能夠引起系統(tǒng)電子相分離微結構的重構并導致電阻狀態(tài)非易失性的改變。他還通過實驗指出，人們可以通過利用電流/電壓脈沖的焦耳熱調(diào)控電子相分離態(tài)的方法實現(xiàn)非易失性電阻狀態(tài)的控制。

在摻雜鐵電氧化物(YMnO3和BaTi1-xCoxO3)薄膜中，他測得了高性能的阻變效應。實驗表明，高電場破壞庫侖勢壘并導致樣品中導電細絲的形成，實現(xiàn)從高阻到低阻的轉變；而局部焦耳熱引起的氧空位/氧離子的熱擴散又導致了傳導細絲的熔斷，實現(xiàn)了從低阻到高阻的轉變；另外，研究指出摻雜引起的局部巡游電子、易變價的金屬離子、以及有足夠高密度的氧空位濃度等因素都將有助于局部區(qū)域穩(wěn)定的金屬－絕緣體相變的發(fā)生，具有重要的指導意義。

在Ag/DyMnO3/Ag/DyMnO3/Pt器件中，他對新鮮樣品不斷進行I-V循環(huán)能，從而使器件從簡單的雙極阻變行為演化為特定的雙極阻變行為，它不僅能解決阻變器件中的sneak path問題，還可直接應用于三維堆垛的RRAM器件中。

……

從2006年到2016年，在科研的道路上顏志波已經(jīng)走過了10個春夏秋冬。人們常說“十年磨一劍”，對于顏志波來說，這僅僅是他的第一個10年，未來，還會有更多的10年、20年。因為，科研是要用一生的精力去追求的。