氧空位和肖特基势垒调控Nd?-xCe?CuO?/Nb:SrTiO?异质结中的顺时针电阻切换现象

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Oxygen vacancy and Schottky barrier modulated clockwise resistive switching in Nd 2-xCe xCuO 4 / Nb:SrTiO 3 heterojunctions

电阻开关效应；NCCO/NSTO异质结构；氧空位迁移；势垒调制；顺时针电阻特性；高循环稳定性；超导临界温度；金属氧化物半导体；电荷载体陷阱效应

　　本研究聚焦于一种新型的异质结构——Nd_1.85Ce_0.15CuO₄/Nb:SrTiO₃（简称NCCO/NSTO），通过脉冲激光沉积（PLD）技术成功制备了该结构，并对其电阻开关（RS）特性进行了系统分析。该结构不仅展现出显著的非易失性特性，还具有低功耗、高ON/OFF比（大于10⁴）以及良好的循环稳定性和耐久性。这些性能使其在非易失性存储、神经形态计算和可重构逻辑器件等领域具有重要的应用潜力。

### 1. 电阻开关现象与机制概述

电阻开关现象是一种在电子器件中常见的物理行为，其核心在于材料在外部电场作用下电阻状态发生可逆变化。在NCCO/NSTO异质结构中，这种现象表现出独特的“顺时针”特性，即在正向偏压下，材料的电阻状态由高阻态（HRS）向低阻态（LRS）转变，而在负向偏压下则相反。这一现象与传统的“逆时针”电阻开关不同，暗示了其独特的物理机制。

电阻开关行为主要由界面处的氧空位迁移所驱动。在施加偏压后，氧空位在NCCO和NSTO之间的界面处发生迁移，形成氧缺陷态，进而影响界面处的肖特基势垒高度。当氧空位迁移导致界面处的空位浓度降低时，势垒高度随之减小，使得电流更容易通过界面，从而将电阻状态从HRS转变为LRS。相反，当氧空位向相反方向迁移时，界面势垒高度增加，导致电阻状态从LRS恢复为HRS。

在低电压下，LRS表现出欧姆导电行为，而HRS则在电压增加时逐渐从欧姆导电过渡到空间电荷限制电流（SCLC）机制，最终由肖特基发射主导。这种导电机制的变化是材料内部结构和界面状态在外部电场作用下的动态响应结果。在温度低于200 K时，肖特基发射成为主导机制，而氧空位迁移受到抑制，导致RS窗口变窄，ON/OFF比从10⁴下降至约6，进一步说明了温度对电阻开关行为的重要影响。

### 2. 材料选择与结构优势

NCCO作为一种典型的高温超导材料，具有优异的电导性能，即使在室温下也表现出良好的导电性。此外，NCCO与NSTO在晶格结构和晶格常数上高度匹配，使得它们在异质结构中能够实现高质量的外延生长，并形成原子级光滑的界面。这种结构优势不仅有助于减少界面缺陷，还能够提高器件的整体性能和稳定性。

相比之下，传统的金属电极材料（如Pt或Au）虽然也具有良好的电阻开关性能，但由于其与NSTO之间存在显著的晶格失配，导致界面处原子排列混乱，影响了氧离子迁移和氧空位分布的可控性。这不仅限制了对电阻开关机制的深入研究，也降低了器件性能的可重复性和一致性。因此，使用NCCO作为电极材料，为探索更稳定的电阻开关机制提供了新的可能性。

此外，NCCO自身含有可调的氧空位浓度，使其在电阻开关过程中能够作为氧空位的来源和存储层。通过调控氧空位的浓度和分布，可以进一步优化器件的电阻开关性能。这种内在的氧空位特性，使得NCCO在与NSTO形成异质结构时，能够展现出更复杂的电输运行为，同时也为开发新型的氧化物存储器件提供了理论依据。

### 3. 实验方法与结构表征

为了研究NCCO/NSTO异质结构的电阻开关特性，实验采用了自组装的变温电学与光学测试系统，该系统由Keithley Instruments提供的设备组成，包括Keithley 2182纳米伏计和6221电流源。测试过程中，通过施加不同电压并记录电流变化，可以直观地观察电阻状态的转变过程。

在结构表征方面，X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）被用于确认NCCO在NSTO基底上的外延生长情况。XRD结果表明，NCCO薄膜主要呈现T’相结构，且与NSTO基底具有良好的晶格匹配。SEM图像进一步显示，NCCO薄膜厚度约为150 nm，且界面处的原子排列较为有序，表明其具有良好的外延质量。

为了进一步分析电阻开关机制，高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）被用于观察NCCO/NSTO界面的微观结构。HRTEM图像显示，界面处没有明显的晶格畸变，这为氧空位迁移和界面势垒变化提供了理想的条件。此外，实验还制备了Ag/NSTO/Ag和Ag/NCCO/Ag结构作为对照，以排除其他界面因素对电阻开关行为的影响。

### 4. 电阻开关机制的深入分析

通过实验数据的分析，可以发现NCCO/NSTO异质结构的电阻开关行为与传统的金属/NSTO结构存在显著差异。在金属/NSTO结构中，通常由于界面处的氧空位迁移，导致电阻状态从HRS向LRS转变，呈现出“逆时针”特性。然而，在NCCO/NSTO结构中，由于NCCO本身具有较高的导电性，其在界面处的氧空位迁移行为更为复杂，使得电阻开关表现出“顺时针”特征。

这一现象可以通过界面势垒的变化来解释。当施加正向偏压时，氧空位向界面迁移，导致界面处的势垒高度降低，从而增强电流传输能力，使电阻状态由HRS转变为LRS。相反，当施加负向偏压时，氧空位向相反方向迁移，使得界面势垒高度增加，电阻状态由LRS恢复为HRS。这种机制的建立，为理解NCCO/NSTO异质结构的电阻开关行为提供了重要的理论支持。

此外，实验还通过分析电流-电压（I-V）曲线，进一步揭示了不同温度下电阻开关行为的变化趋势。在较高温度（如200 K）下，电阻开关窗口较宽，ON/OFF比较高；而在较低温度（如100 K）下，由于氧空位迁移受到抑制，电阻开关窗口显著变窄，ON/OFF比下降。这一现象表明，温度在一定程度上影响了氧空位的迁移能力和界面势垒的变化，从而调控了电阻开关行为。

### 5. 电阻开关行为的稳定性与可重复性

为了评估NCCO/NSTO异质结构在不同温度下的稳定性，实验进行了1000次循环测试。测试过程中，施加连续脉冲电压，并在HRS和LRS状态下测量电阻变化。结果显示，无论温度如何变化，ON/OFF比均保持稳定，约为10⁴，表明该结构具有良好的耐久性和重复性。

进一步的分析表明，当温度降低时，氧空位迁移能力减弱，界面势垒高度也相应降低，导致HRS状态下的电阻显著下降。这种温度依赖性不仅影响了电阻开关的窗口宽度，还可能对器件的长期稳定性产生影响。因此，研究不同温度下的电阻开关行为，有助于优化器件设计，提高其在极端环境下的性能表现。

### 6. 导电机制的演化与应用前景

NCCO/NSTO异质结构的导电机制在不同电压和温度条件下表现出明显的演化趋势。在低电压下，LRS主要遵循欧姆导电行为，而在较高电压下，HRS则逐渐从欧姆导电过渡到SCLC机制，最终由肖特基发射主导。这种机制的转变，反映了材料内部结构和界面状态对电流传输路径的动态调控。

在低温条件下（低于200 K），由于氧空位迁移受到抑制，SCLC机制几乎消失，而肖特基发射成为主导机制。这一现象表明，NCCO/NSTO异质结构在低温下的导电行为更加稳定，且受外界因素影响较小。这为开发适用于低温环境的存储器件提供了新的思路。

此外，NCCO/NSTO异质结构还表现出良好的环境稳定性，能够抵抗氧化等外界因素的影响。这一特性使得其在实际应用中具有更高的可靠性，尤其是在高温或高湿环境下。因此，该结构不仅在基础研究中具有重要意义，也在实际应用中展现出广阔的前景。

### 7. 实验结论与未来展望

综上所述，本研究通过系统的实验方法，揭示了NCCO/NSTO异质结构中氧空位迁移与界面势垒调控之间的协同作用，从而实现了高效的电阻开关行为。实验结果表明，该结构在室温和低温下均表现出优异的性能，具有较高的ON/OFF比和良好的稳定性。

未来的研究可以进一步探索NCCO/NSTO异质结构在不同环境条件下的性能变化，以优化其在实际应用中的适应性。此外，通过调控氧空位浓度和界面势垒高度，可以进一步提升器件的性能，使其在非易失性存储、神经形态计算等领域发挥更大的作用。本研究不仅为氧化物存储器件的设计提供了理论支持，也为相关领域的技术发展奠定了基础。