纳米间隙电极对的简易、大批量制备及其在忆阻器方面的应用

非易失性存储器（忆阻器）在关闭外部电源后仍然能够保持其存储状态，近年来吸引了诸多关注。在多种新型的忆阻器中，基于电阻开关效应的电阻型随机存储器（RRAM）显现了出诸多优势，如高开关速度、低能耗、存储时间长、易于制备。其器件构型一般是金属-绝缘层-金属（MIM）结构，通过设置（SET）和重置（RESET）操作在绝缘层中形成导电丝（Conductive Filament）从而实现“高阻”与“低阻”态的切换。电阻开关存在非易失性电阻开关和易失性阈值开关两种。其中只有非易失性电阻开关才可以用于非易失性数据存储。最新的研究表明，导电丝的形貌决定了电阻开关的行为：连续的纳米晶体的形成和断裂对应非易失性电阻开关，不连续的纳米晶对应易失性阈值开关。该研究结果启示我们，如果将两个金属电极之间的距离缩减到纳米量级（即纳米间隙电极对），我们更容易形成连续的导电丝。除了增大非易失性电阻开关的几率，纳米量级的间隙还带来诸多优势，如单元器件的尺寸可以进一步缩减，从而实现超高密度存储；纳米尺度器件所需的操作电压更小，有利于能耗的降低；纳米尺度的间隙尺寸使的形成导电丝的时间更短，有利于高速器件的获得。

中科院化学所崔阿娟等人与物理所微加工实验室合作，发展了一种简易、大批量制备纳米间隙电极对的方法：首先利用极薄的氧化铝层使得两次沉积金属之间产生纳米尺寸间隙，然后通过胶带剥离技术制备了水平面内的“金/氧化铝/金”结构，最后通过选择性化学腐蚀去除纳米量级厚度的氧化铝，获得了大批量的纳米间隙电极对。所制备的纳米间隙电极对表现出优良的单极性非易失性存储行为，通过施加SET/RESET电压可以控制间隙中硅纳米丝的产生和消失，从而获得不同的电阻态，其开关比高达104。同时该器件还具有长的数据保持时间、良好的循环稳定性以及多比特存储特性等特点。纳米量级的器件尺寸与大批量制备能力使其在超高密度存储方面展现出巨大的应用前景。该工作发表在Advanced Materials 2016, 28, 8227-8233.

图1：制备纳米间隙电极对的工艺流程。

图2：纳米间隙的扫描电镜照片以及阵列的光学显微镜照片。

图3：忆阻器测试结果：单极性忆阻行为；良好的循环稳定性；良好的数据保持能力以大的开关比；多比特存储行为及循环稳定性。

图4：导电丝机理研究：变温IV测试表明，导电丝的电阻随温度下降而增加，具有半导体的特性。