高温超导铜氧化物忆阻器中的陷阱控制导电与场致金属-绝缘体转变机理研究

《ACS Applied Electronic Materials》：Trap-Controlled Conduction and Metal–Insulator Transition in Superconducting Cuprate Memristors

本研究揭示了基于YBa2Cu3O7-δ（YBCO）的高温超导忆阻器在80-300K温区的阻变机理，通过空间电荷限制导电（SCLC）模型证实了浅能级陷阱和深能级陷阱对金属-绝缘体转变（MIT）的协同调控，为低温神经形态计算平台提供了新材料范式。

　　

引言

随着数据量的指数级增长和传统计算架构的局限性，高性能、高能效的记忆器件成为研究热点。忆阻器作为新兴神经形态计算和多级存储的关键元件，其超低能耗（单次切换事件可达500fJ）和多态保持能力展现出独特优势。高温超导铜氧化物因其可电调控的金属-绝缘体转变（MIT）和超导特性，成为低温多功能器件的理想候选材料。

结果与讨论

器件采用30/50/100nm厚度的YBCO薄膜，以SrTiO₃（STO）为衬底，LSMO（La_0.3Sr_0.7MnO₃）作为底电极，金（Au）作为顶电极。电学测试显示，在80-300K温度范围内均呈现稳定的双极阻变特性，SET电压（≈-2.2V）和RESET电压（≈1-3V）具有温度无关性。电流-电压（I-V）特性分析表明高阻态（HRS）和低阻态（LRS）均遵循空间电荷限制导电（SCLC）机制，其幂律关系I∝V^m中指数m>2证实陷阱态主导电荷传输。

通过SCLC模型拟合发现，HRS的幂律指数符合m=1+T_t/T关系，特征温度T_t对应约40-50meV的浅能级陷阱分布。临界电压V_c的分析进一步表明，活性层为厚度约10nm的缺氧YBCO界面层，估算氧空位浓度δ≈0.6。LRS中幂律指数m≈3且温度不敏感，表明陷阱填充极限（TFL）机制主导，同时深能级陷阱（与CuO链断裂相关）通过稳定空穴掺杂实现非易失性切换。

机理模型

研究提出双陷阱模型：浅能级陷阱（可能与氧空位或极化子相关）负责HRS的陷阱辅助导电；深能级陷阱（源于CuO链碎片）通过捕获电子诱导CuO₂平面空穴掺杂，引发莫特间隙坍塌，从而实现场致金属-绝缘体转变。该过程增强层间耦合t_⊥，显著提升c轴电导率。

结论

YBCO忆阻器通过陷阱调控的SCLC机制实现宽温域非易失阻变，其静电主导的切换方式避免离子迁移带来的结构损伤，为兼容超导计算架构的低温神经形态平台提供了新路径。