热历史依赖的团聚机制及Al-6.8%Cu纳米粉末的烧结动力学

《Journal of Alloys and Compounds》：Thermal history–dependent coalescence mechanisms and sintering dynamics in Al-6.8%Cu nanopowders

本研究通过脉冲激光沉积制备(00l)-取向Pb0.95La0.05(Zr0.2Ti0.8)O3薄膜，构建Pt/PLZT/NSTO异质结。发现低偏压下呈现常规逆时针滞回特性，高偏压时因剩余极化电荷产生的反向退极化场导致I-V曲线形成独特“8”字形特征。紫外预处理通过光生载流子补偿极化电荷，削弱退极化场效应，使RS性能随辐照时间增加而降低。该研究揭示了铁电极化与氧空位迁移协同调控电阻开关的机制，为多物理场可调存储器件设计提供理论支撑。

　　

张新艺|贾继强|米天健|雷莉

西安工业大学材料科学与工程学院，中国陕西省西安市金花南路5号，邮编710048

摘要

数字经济的快速发展增加了对集成高效数据存储和处理能力的存储技术的需求。由于具有高存储密度、快速响应、优异稳定性和可扩展性，电阻切换（RS）材料在下一代存储器和类脑计算应用中展现出巨大潜力。在本研究中，采用脉冲激光沉积技术在（00?l）取向的单晶Nb:SrTiO₃（NSTO，0.7?wt％）基底上外延生长了（00?l）取向的Pb_0.95La_0.05(Zr_0.2Ti_0.8)O₃（PLZT）薄膜。对Pt/PLZT/NSTO结构的RS特性进行了广泛研究，重点关注了偏压下氧空位迁移和铁电极化引起的界面势垒变化及其背后的机制。电流-电压测量结果显示，电场作用下的氧空位迁移增强了Pt/PLZT和PLZT/NSTO界面处高阻区域的导电性，降低了界面势垒。因此，Pt/PLZT/NSTO结构在低电压下表现出传统的逆时针RS行为。在较高电压下，由于残余极化电荷的增加，首先产生与外加电场同方向的退极化场，随后方向发生反转，导致RS行为转变为明显的“图8”特性。此外，通过研究紫外线（UV）预处理时间对RS行为的影响发现，极化束缚电荷被紫外线诱导的光载流子中和，退极化场减弱，从而导致RS性能下降，且性能下降与光照时间呈正相关。本研究为基于铁电极化诱导的RS效应的存储器件提供了理论和实验上的见解。

引言

随着数字经济的迅速发展和向智能社会的转型，对集成高密度数据存储与高效处理能力的存储技术的需求日益增加。电阻切换（RS）材料因其高存储密度、快速操作速度、优异的保持稳定性和可扩展性，已成为下一代非易失性存储器、类脑计算和内存计算架构的领先候选材料[1]、[2]、[3]。RS现象的物理机制主要分为两类：一类是在电场作用下导电丝状结构的形成和断裂（通常由空位或金属阳离子组成）；另一类是由氧空位迁移或电荷载流子在缺陷位点的捕获/释放引起的界面势垒高度变化[4]、[5]。与常受随机切换和较高操作功率影响的丝状结构器件相比，界面势垒型RS器件具有连续可调的电阻状态、更低的功耗、更强的抗串扰能力以及无需电成形工艺等优点，这些特性使其在人工突触和类脑硬件应用中具有吸引力[6]、[7]。

在各种材料体系中，掺铌钛酸锶（Nb:SrTiO?或NSTO）因其可调的导电性、优异的稳定性和与氧化物外延的兼容性而被广泛用作界面势垒型RS器件的基底和电极[8]、[9]、[10]。基于NSTO的RS结构主要有两种几何形态：简单的金属/NSTO肖特基结和金属/铁电/NSTO异质结构。前者虽然简单且成本较低，但电阻窗口（开/关比约为10³）通常有限[11]、[14]，因为其切换主要依赖于金属/NSTO界面附近氧空位的重新分布[11]、[12]、[13]。为克服这一限制，人们探索了集成铁电层（如BaTiO₃(BTO)、BiFeO₃(BFO)或Pb(Zr,Ti)O₃(PZT)）的方法，通过铁电极化电荷主动调节界面势垒，从而显著提高RS比率（高达10?）和器件性能[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。

尽管几种铁电材料与NSTO具有良好的晶格匹配性（例如BTO和BFO），但镧改性锆钛酸盐（Pb_1-xLa_x(Zr_yTi_1-y)O₃

因此，在本工作中，我们通过脉冲激光沉积技术在单晶NSTO基底上制备了高质量、共晶外延的PLZT薄膜，构建了Pt/PLZT/NSTO异质结构，并系统研究了其RS特性，重点关注铁电极化与氧空位迁移之间的相互作用。我们的研究揭示了一种新的电压依赖性RS模式转变：在低偏压下表现为传统的逆时针滞后现象，而在高偏压下则呈现明显的“图8”形状的I-V曲线，这是外加电场与退极化场竞争的直接结果。此外，我们还研究了紫外线（UV）光照对RS性能的影响，发现UV光可以显著改变器件特性。UV诱导的光载流子中和了极化束缚电荷，减弱了退极化场，从而导致RS性能下降，且性能下降与光照时间呈正相关。这项工作不仅阐明了铁电异质结构中RS的复杂机制，还强调了基于PLZT/NSTO的器件在多功能、低功耗和光可调存储应用中的潜力。

实验细节

采用脉冲激光沉积（PLD）方法，在0.7?wt% Nb掺杂的SrTiO₃（100）单晶基底上外延生长了Pb?.??La?.??(Zr?.?Ti?.?)O?（Pb位点中La替代量为5?at%）薄膜。随后通过真空离子镀膜在PLZT层上沉积了圆形Pt顶电极（半径：0.5?mm），形成Pt/PLZT/NSTO电容结构。此外，还将软金属In直接压接到PLZT/NSTO上，形成In/PLZT/NSTO结构

薄膜的结构表征

图2(a)所示的PLZT/NSTO结构的XRD图谱仅显示了PLZT和NSTO的（00?l）衍射峰，表明PLZT薄膜在NSTO基底上沿（00?l方向良好取向。图2(b)展示了PLZT/NSTO结构中PLZT(111)晶面的Phi扫描结果。衍射峰的半高宽（FWHM）仅为0.8^°，表明PLZT薄膜在NSTO基底上具有明确的双轴织构。

结论

本文系统研究了Pt/PLZT/NSTO结构的RS特性，重点探讨了铁电极化和氧空位迁移对RS行为的调控机制，以及UV光照对结构RS特性的影响。实验结果表明，在低偏压下，Pt/PLZT/NSTO结构表现出典型的逆时针RS行为，这主要是由于

CRediT作者贡献声明

张新艺：撰写——初稿撰写、验证、资源获取、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构建。贾继强：撰写——审稿与编辑、验证、监督、项目管理、方法论设计、实验研究、资金申请、概念构建。米天健：验证、实验研究、概念构建。雷莉：数据可视化、验证、资金申请、数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本项目得到了陕西省数学与物理基础科学研究项目（项目编号：22JSQ011）、国家自然科学基金（项目编号：52003218和52172273）、陕西省教育厅资助的科学研究计划（项目编号：21JP083）以及陕西省高校青年创新团队的支持。