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Dec 21, 2023

Eingebettete metallische Nanopartikel erleichtern die Metastabilität schaltbarer metallischer Domänen in Mott-Schwellenschaltern

Band Nature Communications

Nature Communications Band 13, Artikelnummer: 4609 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Das Schalten der Mott-Schwelle, das in Quantenmaterialien mit einem elektrisch gefeuerten Isolator-zu-Metall-Übergang beobachtet wird, erfordert eine sorgfältige Steuerung der Perkolationsdynamik elektrisch schaltbarer Domänen im Nanomaßstab. Hier zeigen wir, dass eingebettete metallische Nanopartikel (NP) die Metastabilität schaltbarer metallischer Domänen in einkristallähnlichen VO2-Mott-Schaltern dramatisch fördern. Unter Verwendung eines Modellsystems aus einkristallähnlichen Pt-NP-VO2-Filmen stellen die eingebetteten Pt-NPs interessanterweise eine 33,3-mal längere „Erinnerung“ der vorherigen metallischen Schwellenleitung bereit, indem sie als vorgeformte „Trittsteine“ im schaltbaren VO2 dienen Matrix durch konsekutive elektrische Impulsmessung; Die dauerhafte Erinnerung an frühere Zündungen während der Anwendung von Sub-Threshold-Impulsen wurde auf einer sechs Größenordnungen längeren Zeitskala erreicht als die Einzelimpuls-Erholungszeit des Isolationswiderstands in Pt-NP-VO2-Mott-Schaltern. Diese Entdeckung bietet eine grundlegende Strategie zur Nutzung der geometrischen Entwicklung schaltbarer Domänen in elektrisch betriebenen Übergängen und potenzieller Anwendungen für nicht-boolesche Berechnungen unter Verwendung von Quantenmaterialien.

Quantenmaterialien mit einem abrupten Metall-Isolator-Übergang haben Forscher wegen ihrer vielfältigen möglichen Anwendungen in der zukünftigen Elektronik fasziniert1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. Aufgrund der extremen Empfindlichkeit des elektronischen Phasenübergangs zwischen konkurrierenden Phasen kann eine subtile Störung durch äußere Reize eine bestehende Phase abrupt in eine andere elektronische Phase umwandeln, was zu einer steilen Modulation der elektrischen Eigenschaften führt7,8,9,10,11,12 . Ein charakteristisches Phänomen während des Metall-Isolator-Übergangs erster Ordnung ist das Auftreten einer Phasentrennung mit metallischen und isolierenden Domänen mit inhomogenen Verteilungen bis zu einigen Nanometern11,13,14,15,16,17. Das Vorhandensein einer Phasentrennung impliziert, dass die Widerstandsmodulation durch eine Reihe von Perkolationen erfolgt, die Teile des Systems von einer Phase in die andere umwandeln2,11,13,14,15,16,17,18,19. Diese perkolative Natur ermöglicht einen inhomogenen Übergangszustand, in dem sowohl metallische als auch isolierende Phasen nebeneinander existieren. Die Dynamik perkolativer Domänen im Zwischenzustand bestimmt die makroskopischen Eigenschaften im Zusammenhang mit dem Phasenübergang in Quantenmaterialien2,11,13,14,15,16,17,18,19.

Vanadiumdioxid (VO2) durchläuft bei Raumtemperatur einen reversiblen Übergang zwischen einer monoklinen Isolierphase und einer metallischen Rutilphase13,20,21. Dieser thermisch induzierte Übergang führt zu einer enormen Modulation des elektrischen Widerstands um bis zu fünf Größenordnungen, begleitet von Änderungen der Kristallsymmetrie und der optischen Eigenschaften7,9,13,14,15,20,22. Eine gleichmäßig über das gesamte VO2 verteilte Wärmeenergie führt zu einer räumlich zufälligen Erzeugung nanoskaliger Metallpfützen; Diese Metallpfützen bilden Keime und wachsen dann mit steigender Temperatur als Metalldomänen in der Isoliermatrix und verbinden schließlich durch allmähliche Perkolation den gesamten VO2-Bereich7,9,13,14,15,19,20,22. Die metallischen Domänen werden mit sinkender Temperatur reversibel destabilisiert.

Zusätzlich zur Temperatur als externer Reiz kann der Isolator-zu-Metall-Übergang (IMT) im Subnanosekundenbereich elektrisch stimuliert werden, indem eine externe Spannung an VO2-Geräte mit zwei Anschlüssen angelegt wird, wenn eine Schwellenspannung (Vth) überschritten wird2,7 ,14,16,17,18,23,24,25,26. Sobald der elektrische Reiz entfernt wird, kann sofort ein umgekehrter Metall-zu-Isolator-Übergang (MIT) auftreten. Diese abrupten Übergänge durch elektrische Reize haben VO2 zu einem Kandidaten für Schwellenwertschalter in potenziellen Anwendungen von Niederspannungs-Logikgeräten für energieeffiziente Schalter27 und in künstlichen Spike-Neuronen und Synapsen für nicht-boolesche Berechnungen2,4,6 gemacht, um den Engpass in der zu beheben modernste elektronische Geräte.

Diese elektrisch ausgelöste IMT induziert ein anisotropes Wachstum von Metallpfützen in der Domänenentwicklung und eine anschließende Zunahme durchgesickerter Metalldomänen entlang der Richtung des elektrischen Feldes zwischen zwei Elektroden2,14,16,17,25,26. Die geometrische Entwicklung der schaltbaren (metallischen oder isolierenden) Domänen beeinflusst die makroskopischen physikalischen Eigenschaften von VO2 erheblich (z. B. Grad der Widerstandsmodulation, Steilheit des Phasenübergangs); Die Leistung von VO2-basierten Schwellenwertschaltern konnte durch die effektive Überbrückung zweier Elektroden durch die Entwicklung metallischer Domänen in der Isoliermatrix (links in Abb. 1a) abgestimmt werden2,14,16,17,25,26. Permanent eingebettetes Metall in der schaltbaren VO2-Matrix28,29 kann als „Trittsteine“ dienen, um die Überbrückung und Stabilisierung metallischer Domänen während der elektrisch ausgelösten IMT-Schaltdynamik zu unterstützen (rechts in Abb. 1a). Es ist jedoch eine Herausforderung, metallische Nanopartikel (NPs) in einkristallines VO2 einzubauen, ohne die Eigenschaften von IMT aufgrund der kristallographischen Nichtübereinstimmung zwischen dem Metall und VO2 zu verschlechtern.

a Schematische Darstellung epitaktischer VO2-Filme auf (001)-TiO2-Substraten und Pt-NP-dekorierten (001)-TiO2-Substraten. VO2-Epitaxiefilme werden selektiv auf TiO2-Einkristallsubstraten gebildet und epitaktisch und seitlich auf Pt-NPs überwachsen, die als „Trittsteine“ für die elektrische Leitung durch den Übergang vom Isolator zum Metall dienen. b Reziproke Raumkartierung um den (112)-Reflex des (001)-TiO2-Substrats. Sowohl auf TiO2-Substraten (tPt = 0 s) als auch auf Pt-NP-TiO2-Substraten (tPt = 5 s) wurden kohärent zugbelastete VO2-Epitaxiefilme erhalten. c Querschnitts-HAADF-STEM-Bild und elementare EDS-Kartierung von VO2-Epitaxiefilmen auf Pt-NP-TiO2-Substraten (tPt = 5 s). d Vergrößertes HAADF-STEM-Bild hochwertiger epitaktischer VO2-Filme auf Pt-NP-TiO2-Substraten entlang der [010]-Zonenachse. e Temperaturabhängiger Schichtwiderstand von VO2-Epitaxiefilmen ohne Pt-NP-Einbau (tPt = 0 s, schwarze gepunktete Linie) und mit Pt-NP-Einbau (tPt = 1–5 s, eine Reihe roter durchgezogener Linien). Alle VO2-Filme zeigen unabhängig von der Pt-NP-Abdeckung durchweg einen steilen Übergang. Alle in Pt-NP eingebetteten VO2-Filme zeigen durchweg einen einkristallähnlichen steilen Isolator-zu-Metall-Übergang bei identischer Temperatur mit Hysterese, was die unbeschädigte Kristallqualität vollständig epitaktischer VO2-Filme mit zufällig ausgerichteten metallischen Pt-NPs elektrisch bestätigt.

Hier zeigen wir, dass eingebettete metallische NPs die durch elektrische Felder induzierte Metastabilität schaltbarer metallischer Domänen in epitaktischen VO2-Dünnfilmen fördern (Abb. 1a). Nach der Dekoration gleichmäßig verteilter Pt-NPs mit unterschiedlicher Bedeckung auf TiO2-Substraten ermöglicht das Wachstum von VO2-Filmen die selektive Keimbildung auf TiO2-Substraten und das anschließende Überwachsen auf Pt-NPs; Alle in Pt-NP eingebetteten VO2-Epitaxiefilme weisen in einzigartiger Weise einen einkristallähnlichen steilen Isolator-zu-Metall-Übergang nahe Raumtemperatur auf, der von der unbeschädigten Kristallqualität vollständig epitaktischer VO2-Filme mit metallischen Pt-NPs profitiert. Unter Verwendung dieses hervorragenden Modellsystems zur Untersuchung des Einflusses eines permanenten metallischen Regimes auf die schaltbaren (metallischen oder isolierenden) Domänen in der VO2-Matrix leisten eingebettete Pt-NPs einen erheblichen Beitrag zur Reduzierung des Stromverbrauchs, indem sie Vth in Schwellenwertgeräten mit zwei Anschlüssen senken. Noch wichtiger ist, dass eingebettete Pt-NPs wahrscheinlich eine 33,3-mal längere „Erinnerung“ an frühere Super-Threshold-Zündvorgänge bieten, indem sie als vorgeformte „Trittsteine“ zwischen ausgelösten Metalldomänen in der VO2-Matrix dienen; Die Erinnerung an die vorherige Schwellenzündung bleibt länger als eine Zeitskala von sechs Größenordnungen (τ50 % = 437,88 ms) erhalten, nachdem sich der Isolationswiderstand in Pt-NP-eingebetteten VO2-Epitaxiefilmen erholt hat (toff = 190 ns). Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der geometrischen Entwicklung der schaltbaren (metallischen oder isolierenden) Domänen im Metall-Isolator-Übergang zur Steuerung makroskopischer physikalischer Eigenschaften durch Schaltdynamik. Darüber hinaus kann diese Strategie in potenziellen Anwendungen vielseitiger Geräte für energieeffiziente Schalter (z. B. Festkörper-Frequenzdiskriminator)2,5 und für nicht-boolesche Berechnungen (z. B. künstliche Spike-Neuronen und Synapsen unter Verwendung zeitabhängiger Plastizität) genutzt werden. 4,5,6.

Ohne den Einbau von Pt-Nanopartikeln (NP) (d. h. tPt = 0 s) wurden 10 nm dicke (001)R-orientierte VO2-Epitaxiefilme (in Rutil-Notation) direkt auf (001)-TiO2-Substraten bei 400 °C gezüchtet (in links belassen). Abb. 1a) durch gepulste Laserdeposition (PLD). Die Ergebnisse der Röntgenbeugung (XRD) bei 25 °C zeigten einen scharfen (002)R-Rutil-VO2-Peak bei ~ 2θ = 65,9° ohne andere Peaks im Zusammenhang mit Vanadiumoxiden, die andere Valenzzustände als +4 hatten (siehe ergänzende Abbildung 1). . Darüber hinaus zeigte die reziproke Raumkartierung (RSM) um die (112)-Reflexion des (001)-TiO2-Substrats deutlich die identische reziproke Raumeinheit in der Ebene von TiO2-Substraten und VO2-Filmen (links in Abb. 1b)22,30,31,32 ,33; Diese Ergebnisse repräsentieren die Bildung kohärenter zugbelasteter VO2-Filme auf TiO2-Substraten entlang der Richtung in der Ebene mit hoher Kristallqualität (siehe ergänzende Abbildung 2)22,30,31,32,33.

Um metallische NPs in epitaktische VO2-Filme einzubetten, ohne die Kristallqualität der VO2-Filme zu beeinträchtigen, wurden unterschiedliche Dichten von Pt-NPs durch Sputtern auf TiO2-Substraten durch Steuerung der Pt-Ablagerungszeit (tPt ≤ 5 s) bereitgestellt9,31,34. Da die Pt-Ablagerung vor der Inselkoaleszenz aufhörte, bestätigt ein HAADF-Querschnittsbild (High Angle Ring Dark Field), dass mehrere Nanometer Pt-Inseln gleichmäßig auf den TiO2-Substraten verteilt und von den benachbarten Pt-Inseln getrennt sind (Abb. 1c)9 ,31,34. Dann wurden 10 nm dicke VO2-Dünnfilme bei 400 °C durch PLD auf Pt-NP-dekorierten (001)R-TiO2-Substraten (im Folgenden als Pt-NP-TiO2 bezeichnet) mit unterschiedlicher Bedeckung von Pt-NPs (tPt ≤ 5 s) gezüchtet ) (rechts in Abb. 1a).

Interessanterweise blieb die hohe Kristallqualität der VO2-Epitaxiefilme auf Pt-NP-TiO2-Substraten erhalten, unabhängig von der Pt-NP-Dekoration mit unterschiedlicher Bedeckung. Eine Reihe von RSM-Daten zeigte durchweg identische reziproke Raumeinheiten in der Ebene mit starker (112) VO2-Reflexion mit TiO2-Substraten in allen VO2-Filmen auf Pt NP-TiO2 (tPt = 0, 1, 3, 5 s) (Abb. 1b, Siehe ergänzende Abbildung 3); Diese Ergebnisse implizieren die Stabilisierung kohärent gespannter epitaktischer VO2-Filme selbst auf Pt-NP-TiO2-Substraten (rechts in Abb. 1b)22,30,31,32,33. Die Bildung hochwertiger epitaktischer VO2-Filme auf Pt-NP-TiO2 konnte durch Querschnittsanalyse mit Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) mit energiedispersiver Spektroskopie (EDS)-Kartierung von VO2/Pt-NP-TiO2 (tPt = 5 s) bestätigt werden ) Proben (Abb. 1c, d). Der helle Kontrast im HAADF-STEM und die gelben Bereiche in der elementaufgelösten EDS-Kartierung bestätigen, dass zufällig ausgerichtete Pt-NPs gleichmäßig auf den TiO2-Substraten verteilt sind (Abb. 1c). Aus dem vergrößerten HAADF-STEM-Bild im atomaren Maßstab entlang der [010]-Zonenachse (Abb. 1d) geht hervor, dass der VO2-Dünnfilm selbst auf zufällig ausgerichteten Pt-NPs sowie auf TiO2-Substraten zwischen getrennten Pt-NPs epitaktisch aufgewachsen ist. Der In-Plane-Gitterparameter des VO2-Epitaxiefilms stimmte perfekt mit dem von TiO2-Einkristallsubstraten mit kohärenten Grenzflächen überein, was mit dem RSM (Abb. 1b), dem selektiven Beugungsmuster (siehe ergänzende Abb. 4) und der geometrischen Phase übereinstimmt Analyse auf Dehnung (siehe ergänzende Abbildung 5).

Um die intakte Qualität von Pt-NP-eingebetteten VO2-Epitaxiefilmen zu bestätigen, wurde der temperaturabhängige Schichtwiderstand gemessen, um die Metall-Isolator-Übergangseigenschaften für VO2-Epitaxiefilme mit unterschiedlicher Pt-Bedeckung (0 ≤ tPt ≤ 5 s) zu charakterisieren (Abb . 1e). Aufgrund des erhöhten Volumenanteils permanenter metallischer Pt-NPs, die in die isolierende VO2-Phase eingebettet sind, nahm der Schichtwiderstand der isolierenden Phase (T < TMI) mit zunehmender Pt-NP-Bedeckung von tPt = 0 auf tPt = 5 s ab. Unabhängig von der Pt-NP-Bedeckung sollte jedoch betont werden, dass alle in Pt-NP eingebetteten VO2-Filme bei identischer Temperatur (TIM ~ 20 °C, TMI ~ 14 °C) mit Hysterese; Dieser steile Übergang würde nur in einkristallähnlichen VO2-Filmen beobachtet werden2,18,30,31, was die unbeschädigte Kristallqualität vollständig epitaktischer VO2-Filme mit Pt-Metall-NPs bestätigt.

Die Epitaxie von VO2-Filmen auf zufällig orientierten Pt-NPs ist bemerkenswert, da das Fehlen einer Gitteranpassung das epitaktische Wachstum funktioneller Schichten auf darunter liegenden Schichten ohne kristallographische Koordination grundsätzlich einschränkt. Unsere Beobachtung von (001)R-VO2-Epitaxiefilmen sowohl auf (001)-TiO2-Substraten als auch auf Pt-NPs zeigt, dass VO2-Kristalle zunächst lieber auf den TiO2-Einkristallsubstraten Keime bilden als auf zufällig orientierten Pt-NPs, und dann laterales VO2-Wachstum wurde durch epitaktische Ablagerungen erzeugt, die zunächst auf freiliegenden Bereichen der TiO2-Substrate gebildet wurden35. Somit ermöglicht dieses sequentielle VO2-Wachstum (dh selektive Keimbildung auf einkristallinen Substraten + epitaktisches seitliches Überwachsen auf metallische NPs, rechts in Abb. 1a, siehe ergänzende Abb. 6) die Übertragung von Kristallinformationen von TiO2-Substraten sogar auf metallische NPs. Aufgrund der selektiven Keimbildung und des anschließenden Überwachsens von VO2-Filmen wurde die durch Pt-NPs aufgeraute Oberfläche vor dem VO2-Wachstum (rRMS = 0,225 nm) nach dem VO2-Wachstum (rRMS = 0,124 nm) abgeflacht (siehe ergänzende Abbildung 7).

Für die heterogene Keimbildung auf dem Substrat während des Filmwachstums hängt die heterogene Keimbildungsrate (Nhet) stark von der Aktivierungsbarriere (ΔG*) für die Bildung kristalliner Keime ab (d. h. \({N}_{{het}}\propto). {\exp }(-\frac{{\triangle G}^{*}}{{kT}})\)). Abhängig von den Filmen und den darunter liegenden Substraten werden die Aktivierungsbarrieren auf der Grundlage des folgenden Ausdrucks36 bestimmt.

wobei ΔGv, γ und S(θ) die chemische freie Energieänderung für die Bildung fester VO2-Keime, freie Grenzflächenenergien bzw. ein geometrischer Faktor für heterogene Keimbildung sind. Beim Vergleich der Keimbildung von VO2-Filmen auf einkristallinem TiO2 mit der auf zufällig orientiertem Pt wäre ΔG* (VO2 auf TiO2) aufgrund des geringeren γ durch die kohärente Grenzfläche zwischen VO2 und TiO2 wesentlich niedriger als ΔG* (VO2 auf Pt). . Darüber hinaus ist der Haftkoeffizient von VO2 auf einkristallinem TiO2 viel größer als der auf Pt (dh VO2-Keime bilden sich leichter auf der TiO2-Oberfläche als auf der Pt-Oberfläche)37,38. Die bevorzugte Keimbildung von VO2-Filmen wird durch TiO2-Einkristallsubstrate in der anfänglichen Wachstumsphase gesteuert und ermöglicht dann ein anschließendes epitaktisches seitliches Überwachsen und Zusammenwachsen epitaktischer VO2-Filme auf Pt-NPs durch schnelleres Kristallwachstum mit Ausrichtung in <110>- und <100>-Richtung (dh seitliche Richtung des VO2-Films) aufgrund einer geringeren Oberflächenenergie als die der <001>-Richtung35,39.

Unsere einkristallähnlichen VO2-Filme mit eingebetteten Pt-NPs stellen ein hervorragendes Modellsystem zur Untersuchung des Einflusses permanenter metallischer Domänen (z. B. Pt) auf die Perkolation schaltbarer (metallischer oder isolierender) Domänen (VO2) dar; Diese unkonventionelle geometrische Entwicklung würde die Leistung von VO2-basierten Schwellenwertschaltern, die einen durch ein elektrisches Feld induzierten steilen Übergang nutzen, stark beeinflussen. Zu diesem Zweck wurden Bauelemente mit zwei Anschlüssen mit einem Elektrodenabstand von 5 \(\mu\)m und einer Elektrodenbreite von 100 \(\mu\)m auf in Pt-NP eingebetteten epitaktischen VO2-Filmen hergestellt, wie in der optischen Abbildung gezeigt Mikroskopbilder (Abb. 2a); Ein enger Elektrodenabstand (~5 \(\mu\)m) ermöglicht die Anwendung eines ausreichenden elektrischen Feldes (~1,7 MV/m), um eine elektrisch induzierte Schwellenwert-ΙΜΤ-Schaltung mit mehreren Volt auszulösen23,40. Als die angelegte Spannung erhöht wurde, wurde ein plötzlicher Anstieg des Stroms in allen Bauelementen mit zwei Anschlüssen mit eingebetteten epitaktischen VO2-Filmen in Pt-NP beobachtet (Abb. 2b). Dieses Umschalten ist flüchtig: Wenn die Spannung verringert wird, nimmt der Strom stark ab; Alle Geräte mit zwei Anschlüssen zeigten ein abruptes, durch die Spannung ausgelöstes Schalten der Schwelle ΙΜΤ. Die Schwellenspannung (Vth) mit Normalverteilung wird durch die Abdeckung von Pt-NPs, die in VO2-Filme eingebettet sind, stark moduliert (Vth = 6,54 V für tPt = 0 s → \({V}_{{th}}\) = 3,80 V für tPt = 5 s). (Abb. 2b, siehe ergänzende Abb. 8).

a Schematische Darstellung des spannungsgesteuerten Messaufbaus für den Isolator-zu-Metall-Übergang (IMT) und optisches Mikroskopbild des VO2-Mott-Schalters mit 5 \(\mu\)m Elektrodenabstand und 100 \(\mu\)m Elektrodenbreite. Die Leistung von VO2-basierten Schwellenwertschaltern wurde entweder mit einem kontinuierlichen Spannungsdurchlauf oder einem ultraschnellen Spannungsimpuls gemessen. b Kontinuierlicher Spannungsdurchlauf aller zweipoligen Geräte mit Pt-NP-eingebetteten epitaktischen VO2-Filmen. c Die Leistung zum Einschalten eines Schwellenwertgeräts mit tPt= 0 s und 5 s. Durchgezogene Linien stellen die linearen besten Anpassungen an die Daten dar, die aus der ergänzenden Abbildung 6 extrahiert wurden. d Die transiente Stromreaktion auf drei Impulse mit unterschiedlichen Amplituden (7,3 V, 7,9 V und 8,1 V) in VO2-Schwellengeräten ohne Pt-NP-Abdeckung (tPt = 0 s). e Die transiente Stromreaktion auf drei Impulse mit unterschiedlichen Amplituden (6,8 V, 7,0 V und 7,3 V) in VO2-Schwellenwertgeräten mit Pt-NP-Abdeckung (tPt = 5 s). Die Dauer des Impulses ist auf 100 \(\mu\)s eingestellt. f Die Wahrscheinlichkeit, dass das IMT (PFiring) ausgelöst wird, als Funktion der Impulsamplitude (Vpulse) für jeden tPt. Vth,puls nahm mit steigendem tPt ab. Die Fehlerbalken wurden anhand der Standardabweichung der Binomialverteilung berechnet. g Transientes elektrisches Widerstands-Zeit-Verhalten von VO2-Schwellenwertgeräten mit Pt-NP-Bedeckung (tPt = 5 s) unmittelbar nach dem Ausschalten des 100 \(\mu\)s-Spannungsimpulses bei T = 12 °C.

Die reduzierte Vth für Pt-NP-eingebettete VO2-Filme ist vorteilhaft für die Reduzierung der Schaltleistung von spannungsgetriggerten IMT. Die Leistung zum Einschalten eines Schwellenwertgeräts (PON) wurde gemäß der folgenden Beziehung23 berechnet.

Dabei sind Gtherm, ROFF und Vth die Wärmeleitfähigkeit, der elektrische Widerstand unter TIMT bzw. die Spannung, bei der sich das Gerät einschaltet. Um den Einfluss eingebetteter Pt-NPs auf die VO2-Schwellenschaltleistung zu untersuchen, wurden zweiterminale IV-Eigenschaften als Funktion der Temperatur unter TIMT gemessen (siehe ergänzende Abbildung 9); Vth nahm ebenfalls linear mit der Temperatur ab. Die lineare ΔT-Abhängigkeit von PON ist charakteristisch für das durch Joule-Erwärmung induzierte IMT-Schaltverhalten. Aufgrund der stärker reduzierten Vth bei größerer Pt-NP-Abdeckung weisen Geräte mit tPt = 5 s (z. B. PON = 3,103 mW bei 4 °C) einen viel geringeren Stromverbrauch auf als Geräte mit tPt = 0 s (z. B. PON = 6,195 mW bei 4 °C) (Abb. 2c).

Daher leisten permanente Pt-NPs, die in die VO2-Matrix eingebettet sind, einen wesentlichen Beitrag zur Reduzierung des Stromverbrauchs, um einen elektrischen Leitungspfad zwischen zwei Elektroden in Schwellengeräten zu induzieren. Insbesondere führt die durch ein elektrisches Feld induzierte Joulesche Erwärmung zwischen zwei Elektroden zu einer abrupten Umverteilung der lokalen Temperatur3,14,26, was wiederum zur lokalen Verbindung metallischer Domänen entlang der Richtung des elektrischen Feldes führt (rechts in Abb. 1a). ). Aus mikroskopischer Sicht deutet die Abnahme von Vth darauf hin, dass permanente Pt-NPs den Energieverbrauch zum Verbinden perkolierter Metalldomänen durch durch elektrische Felder induzierte Keimbildung und anisotropes Wachstum schaltbarer Metalldomänen in VO23,5,14,25,26 senken. Wenn permanente metallische Pt-NPs zufällig in der VO2-Matrix verteilt sind, wird das elektrische Schwellenfeld zur Keimbildung metallischer Domänen in VO2 und zur Überbrückung der Elektroden durch Verkürzung des verbindenden Strompfads verringert: Eingebettete Pt-NPs fungieren als Trittsteine ​​für den Stromfluss zwischen den Elektroden . Darüber hinaus führt das Vorhandensein dauerhafter metallischer Einschlüsse zu einer inhomogenen Feldverteilung in der VO2-Matrix41; Das elektrische Feld in der isolierenden VO2-Matrix zwischen metallischen Pt-NPs wird aufgrund eines feldfokussierenden Effekts stark verstärkt; Diese Verbesserung löst lokal den IMT bei reduziertem elektrischem Feld und Stromverbrauch aus.

Das erleichterte Schwellenwertschalten durch eingebettete Pt-NPs in der epitaktischen VO2-Matrix beeinflusst erheblich die Schaltdynamik des Phasenübergangs, der einem ultraschnellen Spannungsimpuls ausgesetzt ist (Abb. 2d, e, siehe ergänzende Abb. 10). Insbesondere die Anregung des Systems mit einem Spannungsimpuls und nicht mit einem kontinuierlichen Spannungsdurchlauf und die Überwachung des Wiederherstellungsprozesses stellt eine Sondierungstechnik bereit, die es ermöglicht, die dynamische Entwicklung der schaltbaren Domäne als Funktion der Zeit zu erfassen2,3,5,19, 42. Die Amplitude der Eingangsspannungsimpulse wurde von 6,0 V auf 9,0 V mit einer Impulsdauer von 100 μs bei 12 °C moduliert, um die isolierenden Zustände in einem VO2-Mott-Schalter mit unterschiedlicher Pt-Bedeckung (tPt = 0–5 s) in metallische Zustände umzuschalten (Abb . 2d, e, siehe ergänzende Abb. 10).

Die Eigenschaften der impulsgesteuerten Schwellenwertumschaltung wurden durch eine abrupte Stromreaktion als Funktion der Eingangsspannungsimpulsamplitude nahe der Schwellenamplitude (Vth,puls) deutlich demonstriert. Die grauen und schwarzen Diagramme in Abb. 2d zeigen die transiente Stromreaktion auf drei Impulse unterschiedlicher Amplitude (7,3 V, 7,9 V und 8,1 V) in VO2-Schwellengeräten ohne Pt-NP-Abdeckung (tPt = 0 s). Der deutliche Unterschied zwischen ihnen stellt die steile Schwellencharakteristik eines elektrisch ausgelösten IMT durch einen 100-μs-Impuls dar: Elektrische Impulsreize reichen nicht aus, um eine IMT-Schwellenumschaltung auszulösen, wenn Vpulse < Vth,pulse (Vpulse ~ 7,9 V für VO2 (tPt = 0 s)) , während Vpulse > Vth,pulse (d. h. Vpulse ~ 8,1 V für VO2 (tPt = 0 s) in Abb. 2d) zu einem abrupten Anstieg des Stroms führt (ION / IOFF > 103), der durch einen externen Compliance-Strom begrenzt wurde. Wir stellen fest, dass Vth, Pulse und IOFF (d. h. bezogen auf den Widerstand der Isolierphase) nach mehr als 100 wiederholten Zündereignissen unverändert blieben, was ausschließt, dass eine Geräteverschlechterung oder die Entstehung von Defekten für den Effekt verantwortlich ist16.

Vth,puls für eine durch Spannungsimpulse ausgelöste IMT wurde durch in Pt NP eingebettete VO2-Schwellenwertgeräte moduliert. Trotz des universellen Merkmals der Stromverstärkung bei Vpulse > Vth,pulse in allen Pt-NP-eingebetteten VO2-Geräten wurde Vth,puls für einen spannungsimpulsgetriggerten IMT systematisch verringert, während die Pt-NP-Abdeckung auf 15 % (d. h. Vth, Impuls = 8,0 V, 7,5 V, 7,1 V, 6,8 V für tPt = 0 s, 1 s, 3 s bzw. 5 s) (siehe Abb. 2d, e, siehe ergänzende Abb. 10). Diese unterschiedlichen Eigenschaften in Vth,pulse werden in Abb. 2f statistisch quantifiziert, wo die Wahrscheinlichkeit des Auslösens des IMT (PIMT) als Funktion der Pulsamplitude (Vpulse) ein stufenartiges Verhalten um Vth,pulse herum zeigt: PIMT = 0, wobei Vpulse < Vth,pulse und PIMT = 1, wobei Vpulse > Vth,pulse. Vth,puls für eine abrupte Schwellenleitung nimmt mit der Pt-NP-Bedeckung ab (tPt = 0 → 5 s); Eingebettete Pt-NPs beschleunigen die Perkolation und Überbrückung metallischer Domänen durch Spannungsimpulse in einem ultraschnellen Zeitbereich.

Um zu beurteilen, wie schnell dieser flüchtige metallische Zustand in den isolierenden Zustand zurückkehrt, nachdem der Spannungsimpuls aufgehört hat, wurde der Widerstand unmittelbar nach dem Anlegen eines Impulses mit einer Amplitude von 8,0 V und einer Dauer von 100 μs in den VO2-Mott-Schaltern als Funktion der Zeit überwacht (Abb. 2g (für tPt = 5 s), siehe ergänzende Abbildung 11 (für tPt = 0 s))2. Die Schwellengeräte zeigen einen vorübergehenden Widerstandsanstieg. Unabhängig von der Existenz von Pt NP bleibt der Widerstand etwa 190 ns lang in der Nähe metallischer Zustände (toff; schwarze Pfeile sowohl in Abb. 2g als auch in der ergänzenden Abb. 11), bevor er abrupt ansteigt. Da toff als die charakteristische Zeit für die umgekehrte MIT-Umschaltung angesehen werden kann, liefert diese toff eine Zeitskala für den Verlust des Durchsickerns des durch Joule-Erwärmung induzierten Metallpfads nach dem Entfernen des externen Spannungsimpulses 2,13,14.

Aufgrund der perkolativen Natur von IMT und MIT während des Anlegens bzw. Entfernens des Eingangsspannungsimpulses zeigt der Stromausgang eine deutliche Reaktion durch aufeinanderfolgende Pump-Probe-Impulse (Abb. 3a)2,5. Selbst wenn der zweite Sondenimpuls unterhalb von Vth,pulse angelegt wird, kann insbesondere ein metallischer Ausgangsstrom ausgelöst werden (d. h. Zündung unterhalb des Schwellenwerts), solange eine bestimmte Verzögerungszeit (\(\tau\)) für die Entspannung kurz ist genug, um sich das vorherige Zündereignis durch den vorangegangenen Super-Threshold-Pumpimpuls zu „merken“ (Abb. 3). Da das „Sub-Threshold-Firing“ durch die charakteristische Zeit der Phasenrelaxation bestimmt wird, wurde ein Pump-Probe-Verfahren mit elektrischen Impulsen verwendet, um zu untersuchen, wie dieses perkolative System relaxiert. Beispielsweise wurde zunächst ein „Super-Threshold“-Pumpimpuls mit der Amplitude Vpump = 1,25 Vth, Impuls und einer Dauer von 100 μs angelegt, um die VO2-Filme anzuregen und dadurch die Metallisierung auszulösen. Dann wurde nach einer anderen Verzögerungszeit (τ = 500 μs und 1000 μs) für die Entspannung ein zweiter Spannungsimpuls (Sonde) mit einer Amplitude unterhalb des Schwellenwerts (Vprobe < Vth, Impuls) und einer Dauer von 100 μs gesendet (Abb. 3b, C).

a Konzeptionelle Darstellung der perkolativen (unter-)schwelligen Auslösung von Pt-NP-eingebetteten VO2-Mott-Schaltern durch aufeinanderfolgende elektrische Impulse. Selbst wenn der zweite Sondenimpuls unterhalb von Vth,puls angelegt wird, kann die metallische Domäne (rot) durch IMT-Umschaltung von isolierenden Domänen (blau) verbunden werden, unterstützt durch das permanente metallische Pt-„Trittbrett“ (Koralle) aufgrund der perkolativen Natur von das IMT, solange eine bestimmte Verzögerungszeit (τ) für die Entspannung kurz genug ist, um sich das vorherige Zündereignis durch den Super-Threshold-Pumpimpuls zu „merken“. b, c Transienter Stromausgang durch zwei aufeinanderfolgende Spannungsimpulse mit unterschiedlicher Verzögerungszeit, gemessen durch ein Pump-Probe-Verfahren bei T = 12 °C: Zuerst wird ein Superschwellenimpuls angelegt, um den Isolator-zu-Metall-Übergang auszulösen, gefolgt von a Sondenimpuls unterhalb des Schwellenwerts nach einer Verzögerungszeit τ. (b τ1 = 500 \(\mu\)s und c τ2 = 1000 \(\mu\)s zwischen den beiden aufeinanderfolgenden Pulsen). d Wahrscheinlichkeit, dass der Sondenimpuls den Isolator-zu-Metall-Übergang (PFiring) als Funktion von τ bei T = 12 °C auslöst, abhängig von der Pt-NP-Bedeckung. PFiring wird für Vprobe = 0,5 Vth,Impuls mit verschiedenen Pt-NP-Bedeckungen aufgetragen: tPt = 0 s, 1 s, 3 s und 5 s. Diese Wahrscheinlichkeit wurde nach Mittelung von 100 Pump-Probe-Messungen bei jedem τ ermittelt. e Verzögerungszeit, bei der die Zündwahrscheinlichkeit unterhalb des Schwellenwerts 50 % (τ50 %) beträgt, aufgetragen gegen Vprobe/Vth,puls bei 12 °C. τ50 % wurde anhand der in d dargestellten Anpassungskurven berechnet. Die Fehlerbalken in d und e wurden anhand der Standardabweichung der Binomialverteilung berechnet.

Es ist möglich, den IMT erneut auszulösen, indem in Pt-NP-eingebetteten VO2-Geräten ein niedriger Spannungsimpuls unterhalb des Schwellenwerts (Vprobe = 0,5 Vth, Impuls) in einem viel längeren Zeitintervall zwischen den Impulsen (τ1 = 500 μs) verwendet wird (Abb. 3b). Bei einem einzelnen Impuls sollte dieser Unterschwellenimpuls den IMT nicht auslösen; Es sollte betont werden, dass diese Vprobe viel niedriger ist als der Vth,-Impuls und im Gegensatz zum Nichtfeuerungsverhalten bei Einzelimpulsanwendungen steht. Diese „Erinnerung“ an die vorherige Zündung ging bei einem Pump-Probe-Zeitintervall von τ2 = 1000 μs (> τ1) verloren (Abb. 3c). Dieses Ergebnis weist darauf hin, dass das Gerät eine gewisse „Erinnerung“ an das vorherige Zündereignis aufrechterhält und somit das erneute Zünden mit Impulsen unterhalb des Schwellenwerts ermöglicht2,5.

Interessanterweise beträgt die Verzögerungszeit (τ) zwischen Pump- und Sondenimpulsen 500 \(\mu\)s, was mehr als drei Größenordnungen größer ist als die elektrisch gemessene MIT-Erholungszeit (toff ~ 190 ns). Die Wiederherstellung von Metall zu Isolator nach Entfernung des Spannungsimpulses entspricht dem Bruch- oder Versickerungsprozess bereits gebildeter Metallfilamente2,5,13,14,24. Die Entwicklung der Unterschwellenzündung bei τ ≫ toff weist darauf hin, dass die Erinnerung an frühere Überschwellenschaltungen noch lange nach der Wiederherstellung des Isolationswiderstands erhalten bleibt. Aus mikroskopischer Sicht ist es wahrscheinlich, dass Pfützen mit metallischen Domänen nach dem Bruch- und Entsickerungsprozess des vorgeformten metallischen Filaments für die elektrische Leitung durch den vorangehenden Schwellenwert Vpump noch viel länger in dem lokalisierten Bereich existieren.

Um den Einfluss der Pt-NP-Bedeckung auf diese charakteristische Zeit (τ) der „Erinnerung“ der metallischen Domäne zu untersuchen, führten wir ein Pump-Probe-Experiment mit VO2-Schwellenwertgeräten mit unterschiedlicher Pt-NP-Bedeckung (tPt = 0–5 s) durch Ändern der Pulstrennzeit (τ) (Abb. 3d, e). Die Wahrscheinlichkeit, dass der zweite Sondenimpuls die metallische Leitung auslöst, ist in der ergänzenden Abbildung 12 als Funktion von τ für verschiedene Amplituden von Vprobe dargestellt. Da mit zunehmender Impulstrennzeit (τ) das „Gedächtnis“ der metallischen Auslösung wahrscheinlich verloren geht, nimmt die Wahrscheinlichkeit unabhängig von der Pt-Bedeckung kontinuierlich mit τ ab (Abb. 3d). Durch Definieren von τ50 % als Verzögerungszeit, für die die Zündwahrscheinlichkeit auf 50 % sinkt, steigt τ50 % mit der Amplitude von Vprobe (Abb. 3e) und der Temperatur (siehe ergänzende Abb. 13); Die Erhöhung der zweiten Impulsamplitude erhöht die Erfolgswahrscheinlichkeit für das Zünden unterhalb des Schwellenwerts erheblich (Abb. 3e). Noch wichtiger ist, dass mit zunehmender Pt-NP-Abdeckung (tPt = 0 s → tPt = 5 s) τ50 % bei gleicher Vprobe um das bis zu 33,3-fache länger ansteigt (z. B. τ50 % = 13,15 ms (für tPt = 0 s) → τ50). % = 437,88 ms (für tPt = 5 s) bei Vprobe = 0,8 Vth,puls) (Abb. 3e). Es sollte betont werden, dass die Erinnerung an die vorherige Schwellenzündung länger als sechs Größenordnungen (τ50 % = 437,88 ms) erhalten bleibt, nachdem sich der Isolationswiderstand in Pt-NP-eingebetteten VO2-Epitaxiefilmen erholt hat (toff = 190 ns). .

Daher ist es wahrscheinlich, dass eingebettete Pt-NPs in der VO2-Matrix die „Erinnerung“ an frühere Brennvorgänge als vorgeformte „Trittsteine“ zwischen gebrannten Metalldomänen in VO2 verbessern; Diese permanenten metallischen „Trittsteine“ erleichtern das Abfeuern unterhalb der Schwelle in den aufeinanderfolgenden Impulsen erheblich. Darüber hinaus werden Metalldomänenpfützen nach der Entfernung des vorangegangenen „Super-Threshold“-Impulses aufgerissen (oder getrennt). Diese metastabilen Metallpfützen bleiben in Pt-NP-eingebetteten VO2-Filmen wahrscheinlich länger gefangen als in reinen VO2-Filmen. Somit fungieren diese persistenten und langlebigen Domänen nach dem vorangegangenen Schwellenwertwechsel als Kerne, die das Auslösen des nachfolgenden IMT mit einem Spannungsimpuls unterhalb des Schwellenwerts erleichtern; Persistente metallische Domänen, verstärkt durch permanente Pt-NPs, sind in der Tat für den längsten Memory-Effekt in den in Pt-NPs eingebetteten VO2-Filmen verantwortlich (tPt = 5 s).

Der mikroskopische Ursprung persistenter Metalldomänen in den in Pt-NP eingebetteten VO2-Filmen wird auf die Elektronendotierung durch den Ladungstransfer von Pt zurückgeführt. Die geringere Austrittsarbeit von Pt-NPs (~4,6 eV)29 im Vergleich zu VO2 (~5,0 eV) führt zur Ladungsträgerinjektion von kleinen Pt-NPs in die VO2-Matrix durch Ausrichtung des Fermi-Niveaus zwischen Pt-NP und VO2, wodurch ein elektronenreicher Bereich im VO2 entsteht Matrix in der Nähe der Pt-NP-Kontaktschnittstelle; Diese „lokale“ Elektronendotierung in der Nähe von Pt-NPs kann zur lokalen Stabilisierung der „persistenten Metalldomäne“ führen; Diese persistenten und langlebigen „metastabilen“ metallischen Domänen wirken nach dem Super-Threshold-Switching als Kerne, die die Aktivierungsbarriere senken und das erneute Auslösen des nachfolgenden IMT mit einem Sub-Threshold-Spannungsimpuls erleichtern.

Die Abhängigkeit der Zündwahrscheinlichkeit unterhalb des Schwellenwerts von τ könnte als Hochpassfilter (dh Frequenzdiskriminator) ausgenutzt werden2,5. Auf den Superschwellenimpuls folgt eine Reihe von Subschwellenimpulsen im Abstand von τ, die die Frequenz (f) der elektrischen Reize bestimmen (Abb. 4a – c). Wiederholte Subthreshold-Pulse mit unterschiedlichem f wurden nach dem Super-Threshold-Puls über Geräte mit zwei Anschlüssen mit in Pt NP eingebetteten VO2-Filmen angelegt. Jeder Unterschwellenimpuls aktualisiert den Speicher der Geräte und ermöglicht so eine kontinuierliche Unterschwellenauslösung und Signalübertragung mit einer hohen Impulsfrequenz (z. B. τ = 500 μs (f = 2 kHz), Vprobe = 0,5 Vth, Impuls für VO2 mit tPt = 5 s in Abb. 4a) bei f höher als die Grenzfrequenz (fCO); Die Unterschwellenfeuerung endet bei f < fCO (z. B. τ = 1000 μs (f = 1 kHz), Vprobe = 0,5 Vth, Impuls für VO2 mit tPt = 5 s in Abb. 4b) oder bei niedrigerer Vprobe (z. B. τ = 500 μs). (f = 2 kHz), Vprobe = 0,35 Vth, Impuls für VO2 mit tPt = 5 s in Abb. 4c). Folglich wurden in allen Geräten klare und scharfe (fast 35 dB) Hochpassfiltereigenschaften mit Vprobe-abhängigem fCO beobachtet (Abb. 4d, e); Diese Eigenschaften zeigen die Möglichkeit, den fCO für die Signalübertragung abzustimmen, indem die Amplitude des eingehenden Sub-Threshold-Signals angepasst wird: Eine niedrigere Amplitude der wiederholten Vprobe führt zu einem höheren fCO.

a–c Transienter Stromausgang (obere Tafeln) durch mehrere aufeinanderfolgende Spannungsimpulse mit unterschiedlichem Impulsabstand (oder Frequenz, untere Tafeln) bei T = 12 °C: Auf den vorhergehenden Superschwellenimpuls folgt eine Reihe von Subschwellenspannungsimpulsen, die durch getrennt sind 500 \(\mu\)s (a, c) oder 1000 \(\mu\)s. b mit einer Sondenspannungsamplitude von Vprobe = 0,5 Vth,Impuls (a, b) oder Vprobe = 0,35 Vth,Impuls c. Beachten Sie, dass bei einem Impulsabstand von 500 \(\mu\)s bei Vprobe = 0,5 Vth,puls jeder Spannungsimpuls den Speicher des Geräts auffrischt, was eine wiederholte Auslösung unterhalb des Schwellenwerts ermöglicht. d, e Dämpfung eines gepulsten Signals durch ein Gerät als Funktion der Signalfrequenz. Dargestellt sind mehrere Signalamplituden mit d, tPt = 0 s und e, tPt = 5 s. f Grenzfrequenz (fCO) von in Pt-NP eingebetteten VO2-Mott-Schaltern, aufgetragen gegen jede Pt-NP-Abdeckung (tPt) mit mehreren Signaldämpfungsstufen.

Bemerkenswerterweise ermöglichen Pt-NP-eingebettete VO2-Geräte (tPt = 5 s) einen größeren Bereich der fCO-Abstimmung (fCO = 2 Hz bei Vprobe = 0,8 Vth, Impuls bis fCO = 670 kHz bei Vprobe = 0,05 Vth, Impuls) im Vergleich zu denen von reine VO2-Geräte (tPt = 0 s) (fCO = 67 Hz bei Vprobe = 0,8 Vth, Impuls bis fCO = 67 kHz bei Vprobe = 0,35 Vth, Impuls) (Abb. 4f). Das erhöhte τ50 % der langlebigen Metalldomänen in Pt-eingebetteten VO2-Filmen führt zu einer Zündung unterhalb der Schwelle bei einer niedrigeren Frequenz (höheres τ) des sich wiederholenden elektrischen Impulssignals; Eingebettete Pt-NPs führen zu einer verbesserten Konnektivität sich wiederholender Reize. Darüber hinaus trägt die verringerte Schaltleistung in Pt-eingebetteten VO2-Filmen dazu bei, dass der Impuls unterhalb des Schwellenwerts bei einer niedrigeren Vprobe-Amplitude abgefeuert wird (z. B. Vprobe = 0,2 Vth, der Impuls wurde nicht unterhalb des Schwellenwerts beim Pt-eingebetteten VO2 mit tPt = 0 s, sondern beim Pt-eingebetteten gefeuert VO2 mit tPt = 5 s); eingebettete permanente Metall-NPs bewirken eine stabile Perkolation schaltbarer Metalldomänen bei niedrigeren Reizen; Ein verzögerter Memory-Effekt der schaltbaren metallischen Domäne in VO2-Filmen durch Pt-Metall-„Trittsteine“ führt zu einer f-abstimmbaren Unterschwellenfeuerung in einem breiteren f-Bereich.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die spannungsgesteuerte Metastabilität schaltbarer Metalldomänen durch eingebettete Metall-NPs verbessert wurde, die als „Trittsteine“ in einer schaltbaren epitaktischen VO2-Matrix dienen. Die Fähigkeit, selektiv epitaktische VO2-Filme auf TiO2-Substraten anstelle gleichmäßig verteilter Pt-NPs zu bilden, ermöglicht einen einkristallähnlichen steilen Isolator-zu-Metall-Übergang nahe Raumtemperatur mit unterschiedlicher Bedeckung permanenter metallischer NPs in der schaltbaren Matrix. Mithilfe dieses besonderen Modellsystems untersuchten wir systematisch die Wirkung permanenter metallischer Domänen auf die Dynamik schaltbarer (metallischer oder isolierender) Domänen in der VO2-Matrix. Insbesondere eingebettete Pt-NPs leisten einen wesentlichen Beitrag zu einer besser eingeschriebenen „Erinnerung“ an frühere Brennvorgänge, indem sie als vorgeformte Trittsteine ​​zwischen ausgelösten Metalldomänen in der VO2-Matrix dienen. Bemerkenswert ist, dass bei aufeinanderfolgenden Eingangsimpulsen die Erinnerung an frühere Superschwellenzündungen länger als eine Zeitskala von sechs Größenordnungen (τ50 % = 437,88 ms) erhalten bleibt, selbst nachdem der Isolationswiderstand in Pt-NP-eingebettet wiederhergestellt wurde (toff = 190 ns). VO2-Epitaxiefilme.

Diese Eigenschaften könnten genutzt werden, um Funktionalitäten in der Oxidelektronik zu implementieren. Unsere Ergebnisse zeigen, dass ein Hochpassfilter (dh ein Frequenzdiskriminator) einfach durch modifizierte intrinsische Dynamik eines perkolativen Phasenübergangs abgestimmt werden kann, was durch die eingebettete Pt-NP-Abdeckung in der VO2-Matrix unterstützt wird. Unsere Ergebnisse verdeutlichen den Einfluss permanenter metallischer Domänen auf die geometrische Entwicklung schaltbarer (metallischer oder isolierender) Domänen in einem Metall-Isolator-Übergang. Aus praktischer Sicht könnte diese Strategie zur Nutzung des verbesserten „Gedächtnisses“ früherer Zündungen durch gleichmäßig verteilte metallische Trittsteine ​​potenzielle Anwendungen vielseitiger Geräte für energieeffiziente Schalter2,5 und für nicht-boolesche Berechnungen4,5,6 eröffnen.

Durch Steuerung der Pt-Ablagerungszeit (0 s ≤ tPt ≤ 5 s) auf (001) TiO2-Einkristallen bei Raumtemperatur durch Sputtern wurden unterschiedliche Dichten von Pt-Inseln in Nanogröße gebildet. Da die Pt-Ablagerung vor der Inselkoaleszenz aufhörte, bestätigt das Querschnitts-Hochwinkel-Ringdunkelfeld (HAADF) in der Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM), dass mehrere Nanometer-Pt-Inseln gleichmäßig auf den TiO2-Substraten verteilt und von den benachbarten Pt-Nanopartikeln getrennt sind ( NP). Anschließend wurden 10 nm dicke VO2-Dünnfilme bei 400 °C auf Pt-NP-dekorierten (001)R-TiO2-Substraten mit unterschiedlicher Bedeckung von Pt-NPs (0 s ≤ tPt ≤ 5 s) durch gepulste Laserabscheidung mit der Basis gezüchtet Druck der Wachstumskammer auf ~10−6 Torr eingestellt. Ein KrF-Excimerlaser (λ = 248 nm) wurde auf ein stöchiometrisches rotierendes V2O5-Target mit einer Fluenz von ~1,5 J cm−2 Puls−1 und einer Wiederholungsrate von 2 Hz fokussiert. Die VO2-Filme wurden in einer Sauerstoffumgebung von 10 mTorr und bei einer Wachstumstemperatur von 400 °C gezüchtet, um die elektrischen Eigenschaften mit einem steilen Metall-Isolator-Übergang zu optimieren. Nach dem Wachstum wurde die Probe bei 2 °C min−1 auf Raumtemperatur abgekühlt. Durch die Optimierung der Wachstumsbedingungen wurde die hohe Kristallqualität von VO2-Epitaxiefilmen durch eine Reihe reziproker Raumkartierungsdaten und einen steilen Übergang von Isolator zu Metall (und Metall zu Isolator) bei identischer Temperatur (TIM ~ 20 °C, TMI ~14 °C) unabhängig von der Pt-NP-Bedeckung (0 ≤ tPt ≤ 5 s) auf dem TiO2-Substrat.

Zwei Pt-Elektroden (50 nm) mit einer lateralen Breite von 100 μm wurden mithilfe von Photolithographie und Sputtern auf einem Pt-NP-eingebetteten VO2-Epitaxiefilm strukturiert. Zwischen zwei Elektroden wurde ein Spalt von 5 μm gelassen; Ein enger Elektrodenabstand (~5 \(\mu\)m) ermöglicht die Anwendung eines ausreichenden elektrischen Feldes (~ 1,7 MV/m), um eine elektrisch induzierte Schwellenwert-ΙΜΤ-Schaltung mit mehreren Volt auszulösen.

2Theta-Omega-Scan und reziproke Raumkartierung (RSM) um die (112)-TiO2-Reflexion wurden durchgeführt, um die Kristallqualität und Gitterparameter in allen epitaktischen Pt-NP-eingebetteten VO2-Dünnfilmen mithilfe eines hochauflösenden Röntgendiffraktometers (HRXRD) zu charakterisieren , Bruker Discover 8) mit Cu Kα1-Strahlung (λ = 0,15406 nm) im Materials Imaging & Analysis Center von POSTECH.

Für die Querschnittsanalyse von VO2-Epitaxiefilmen auf Pt-NP-TiO2-Substraten wurde die dünne Folie mit einem fokussierten Doppelstrahl-Ionenstrahlsystem (Helious Nanolab, Thermo Fisher Co., USA) durch die [010]-Projektion vorbereitet. HRTEM-, STEM- und EDS-Analysen im atomaren Maßstab wurden mit dem aberrationskorrigierten STEM (JEM-ARM200F, JEOL, Japan) bei 200 kV durchgeführt, das mit einem sphärischen Aberrationskorrektor fünfter Ordnung (ASCOR, CEOS GmbH, Deutschland) und dem dualen 100 mm2 ausgestattet war Energiedispersiver Röntgenspektrometerdetektor (JED-2300T EDS, JEOL, Japan) im Materials Imaging & Analysis Center von POSTECH. Die Elektronensonde für die STEM-Beobachtung wurde auf ~70 Uhr eingestellt; und der Sammelhalbwinkel lag im Bereich von 54 bis 216 mrad für die High Angle Annular Dark Field (HAADF)-Bildgebung. Die STEM-Rohdaten wurden mithilfe des lokalen 2D-Differenzfilters (Filters Pro, HREM Research Inc., Japan) gefiltert, um das Hintergrundrauschen beim Scannen zu reduzieren. EDS-Mapping-Signale wurden über mehrere zehn Minuten hinweg durch Mehrfachbildsummierung bis zu ~4000 Bildern mit einer Auflösung von 256 × 256 Pixeln erhalten; und die Erfassungszeit pro einzelnem Pixel wurde auf 10 μs eingestellt. Aus den TEM/STEM-Bildern im atomaren Maßstab wurden die Ergebnisse der Dehnungsanalyse mithilfe der kommerziellen Plug-in-Software (GPA, HREM Research Inc., Japan) extrahiert.

Der temperaturabhängige Schichtwiderstand wurde mithilfe der Van-der-Pauw-Methode ermittelt, um die Übergangseigenschaften von Metall und Isolator für epitaktische VO2-Filme mit unterschiedlicher Pt-Bedeckung (0 ≤ tPt ≤ 5 s) zu charakterisieren. Die elektrischen Eigenschaften der elektrischen VO2-Geräte mit zwei Anschlüssen wurden unter Verwendung eines Halbleitergeräteanalysators (B1500A, Agilent) mit einer Quellenmesseinheit (SMU) und einem Wellenformgenerator/Schnellmesseinheit (WGFMU) in einer Sondenstation mit variabler Temperatur unten gemessen Ar Umgebungsbedingungen. Die Strom-Spannungs-Eigenschaften wurden gemessen, indem die Spannung mit einem 10-mV-Schritt von 0 V auf 10 V abgetastet wurde, wobei zwei SMUs an zwei Elektroden verwendet wurden. Für die Impulsmessung wurde WGFMU verwendet, um die Eingangsspannungsimpulse und die Hochgeschwindigkeitssonde zu erzeugen. Zur Überwachung des Schwellenspannungsimpulses (Vth,pulse) wurde eine Einzelimpulsspannung erzeugt, indem die Impulsamplitude von 6,0 V auf 9,0 V und eine Impulsdauer von 100 μs geändert wurde. Um den Einfluss der Pt-NP-Bedeckung auf diese charakteristische Zeit (τ) des „Gedächtnisses“ der metallischen Domäne zu untersuchen, wurde ein Pump-Probe-Experiment mit VO2-Schwellenwertgeräten unter Verwendung aufeinanderfolgender Eingangsimpulse (d. h. vorangehender Pumpimpuls mit Superschwellenwert) durchgeführt. Vpulse > Vth,pulse) und zweiter Sub-Threshold-Probepuls (Vpulse < Vth,pulse)) mit einer Pulsdauer von 100 μs als Funktion unterschiedlicher Pulstrennzeit (τ). Schließlich folgt bei einem Hochpassfilter (d. h. Frequenzdiskriminator) auf den Superschwellenimpuls eine Reihe sich wiederholender Subschwellenimpulse, die durch τ getrennt sind und die Frequenz (f) elektrischer Reize mit einer Impulsdauer bestimmen von 100 μs.

Die Autoren erklären, dass alle Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, in diesem Artikel und seinen ergänzenden Informationsdateien verfügbar sind und auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich sind.

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Wir bedanken uns für die Unterstützung dieser Arbeit durch das Basic Science Research Program (2020R1A4A1018935 (JS, S.-YC), 2020R1A2C2006389 (JS)) und das Next-generation Intelligence Semiconductor Program (2022M3F3A2A03015405 (JS)) durch die National Research Foundation of Korea (NRF). ), finanziert vom Ministerium für Wissenschaft und IKT.

Department of Materials Science and Engineering (MSE), Pohang University of Science and Technology (POSTECH), Pohang, Republik Korea

Minguk Jo, Ye-Won Seo, Hyojin Yoon, Yeon-Seo Nam, Si-Young Choi und Junwoo Son

Abteilung für Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaften (CEMS), University of Minnesota, Minneapolis, MN, USA

Hyojin Yoon

Department of Materials Science and Engineering (MSE), Seoul National University of Science and Technology (Seoultech), Seoul, Republik Korea

Byung Joon Choi

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JS und MJ hatten die Idee und gestalteten die Studie; HY entwickelte den Wachstumsprozess für epitaktische VO2-Filme mit eingebetteten Pt-Nanopartikeln; MJ, Y.-WS und HY führten das Wachstum von VO2-Epitaxiefilmen, Röntgenbeugung, Röntgenbeugung und AFM durch. MJ und Y.-WS führten unter Anleitung von BJC und JS die Geräteherstellung sowie alle elektrischen Messungen und Analysen durch; Y.-SN und S.-YC führten eine STEM-Analyse durch; JS und MJ haben das Manuskript geschrieben und alle Autoren haben es kommentiert; JS leitete die Gesamtforschung.

Korrespondenz mit Junwoo Son.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature Communications dankt den anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Jo, M., Seo, YW., Yoon, H. et al. Eingebettete metallische Nanopartikel erleichtern die Metastabilität schaltbarer metallischer Domänen in Mott-Schwellenschaltern. Nat Commun 13, 4609 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32081-x

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Eingegangen: 06. September 2021

Angenommen: 14. Juli 2022

Veröffentlicht: 10. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-32081-x

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