武汉理工吴劲松团队AELM：Ag₂Te-离子扩散和相变调制的半导体阻变开关研究

碲基硫系化合物，作为性能优异的固态电解质材料，被广泛应用于阻变式存储器的研究中，如GeTe,Sb₂Te₃,Ge₂Sb₂Te₅等。然而，在这些碲基硫系化合物中，Ag₂Te作为室温下具有优异热电性能和可伸缩的柔性性能的材料，被广泛用于热电器件的研究，而很少有关其阻变存储的研究，其阻变机理尚不清楚。

武汉理工大学吴劲松教授团队通过原位透射电镜技术研究了Ag₂Te，探究了其电场下的阻变机制。武汉理工大学材料学院硕士研究生郭安安为论文第一作者，吴劲松教授为通讯作者。此研究得到了国家自然科学基金的资助支持。

Ag₂Te具有两个导电性完全不同的相：在418 K下能稳定存在的单斜相（α相）和418 K到1075 K时稳定存在的面心立方相（β相）。如图1所示，α相和β相的Ag₂Te的晶体结构表明其具有相似的Te晶格而具有不同的Ag占位。研究表明，在电场的作用下Ag₂Te发生由α相到β相的转变，其相界面顺着电场方向移动，这说明Ag₂Te的相变是电场可控的，如图2所示。

图1 Ag₂Te的两相结构。（a，b）沿[0−10]方向的α-Ag₂Te的HAADF-STEM图像。（c，d）沿[-1−10]方向的β-Ag₂Te的HAADF-STEM图像。

图2 电场驱动下的Ag₂Te相变过程。（a）Ag₂Te的TEM图像。（b-d）（a）中蓝色方块表示的区域在不同电压下的SAED图像。（e）不同电压下相界面的移动。

更有趣的是，在原位电镜通电实验中研究了其相变过程。发现材料内部相变之前存在着离子扩散行为和相变后存在的阻变行为。在原位通电实验中，Ag₂Te内部先发生银元素分布不均现象，银向着电场方向扩散聚集。如图3中的EDS图像所示，银元素在右侧聚集。随着相变的发生，Ag₂Te 阻值转变接近2倍，如图4a。

图3 电场作用下离子扩散过程。（a，b）不同电压下Ag₂Te的HAADF-STEM图像。（c）（b）中黑色方框区域的EDS图像。

Ag₂Te的这种阻变行为可以用图4b中的I-V曲线来描述。在-4V到4V的循环脉冲电压下，其曲线如斜“8”字型，说明其具有忆阻的特性。原位实验表明Ag₂Te的忆阻特性不同于传统的固态电介质材料的电化学金属化机制，其是一种由离子扩散和相变引起的阻变行为。对其输入脉冲宽度不同的矩形波脉冲可以模仿其阻变开关行为，如图4c所示，其阻值在电压的跳动过程中也发生着突变，这是一种有趣的阻变开关。

图4 Ag₂Te的阻变开关特性。（a）Ag₂Te的电压-电阻曲线。（b）脉冲形式下Ag₂Te的I-V曲线图。（c）矩形波脉冲形式下的Ag₂Te电压-电阻曲线。