——记南京大学物理学院副教授颜志波
　　
本刊记者　刘婉茹

　　　　
　　金属/氧化物异质结是金属功能材料和器件物理研究的热点课题之一。金属/氧化物异质结非易失性阻变器件具有多态存储能力、稳定性能较好，开展相关研究对推进阻变存储器实用化进程具有相当重要的意义。
　　2006年起，颜志波就开始从事过渡金属氧化物的庞磁电阻、非易失性电阻开关及多铁性的研究。工欲善其身，必先利其器。在材料合成与样品制备方面，颜志波熟练地应用固相反应法、溶胶-凝胶法、PLD、磁控溅射等手段；在实验建设方面，他能够利用PPMS系统和各种电压/电流源表并应用LabView软件自行搭建各种实验测试与采集系统；在材料表征及样品性能分析方面，他熟悉SEM、TEM、SPM、铁电测试系统、电阻开关测试系统以及多种Agilent和Keithley源表等多种实验技术手段。手握各种技术方法，颜志波在研究中更加游刃有余。
　　
突破RRAM性能
　　
　　在一些由金属/绝缘体/金属三明治结构组成的器件中，人们只需通过不同电场脉冲就能控制器件的非易失性电阻状态，这也称做“阻变效应”，据此可制成用于数据存储的电阻式随机存储器（RRAM）。相比于当前广泛使用的巨磁阻（GMR）和闪存（Flash）等主流存储技术，RRAM因具有结构简单、集成度高、成本低、速度快、寿命长和功耗低等诸多优点，备受当今世界科技界的广泛关注，它自然也成为下一代非挥发性存储器最有潜力的代表之一。
　　颜志波对科研是一种浓厚兴趣之下的追逐。“从物理机制来看，产生阻变效应的具体物理机制多种多样”，他娓娓道来，阻变机制一般可分为细丝型阻变、非细丝型阻变以及两种情况共存。相对于细丝型阻变器件，非细丝型阻变器件可一定程度避免导电细丝的随机行为，有着更为稳定的电阻变化过程，“这类器件利用铁电极化反转改变界面电荷分布从而实现阻变效应，因其所依赖的铁电极化态具有较高稳定性和抗疲劳特性而被受青睐。”
　　然而，串联在异质结上铁电薄膜电阻通常很大，缩小了器件高低电阻比值，这意味着需要制备超薄（<10 nm）或具有较小带隙（~1.0-2.0eV）的高质量铁电薄膜以维持较高高低电阻比值。事实上，除了薄膜，人们也可以用无苛刻厚度要求的氧化物材料来替代超薄铁电薄膜，并利用金属/氧化物异质结界面载流子的注入与释放机制来实现高性能非细丝型阻变器件。
　　科研绝非易事，制备氧化物材料所遇的重要问题和挑战同样很多，简单来说就是其稳定性能低，并存在疲劳现象。“当大量载流子聚集在界面并且其它位置的载流子溶度又很低时，一部分被束缚的载流子将会通过热涨落和量子隧穿向低浓度区扩散，形成低阻态随时间弛豫，严重影响低阻态稳定性；外电场引起载流子注入与释放过程中，部分缺陷本身也有可能在电场驱动下发生移动。与载流子注入和释放过程所不同的是，缺陷在界面或晶格中的移动过程中还同时受到其它一些不可逆因素的影响，这将导致高低电阻态在开关循环过程中不能完全恢复，表现为疲劳现象。”
　　于是在2014年，颜志波顺利申请到国家自然科学青年基金项目“基于金属/氧化物异质结的阻变稳定性能及其机制研究”。随即，他带领团队以金属/掺杂钛酸锶氧化物异质结为主要研究对象，关注发展提高阻变性能稳定性的物理方法，计划通过采用多种金属/氧化物异质结制备技术与界面处理手段，实现对金属/氧化物异质结界面的空间微结构调控，揭示异质结界面微结构对阻变性能稳定性的重要作用。并在此基础上，尝试制备与表征具有阻变效应的金属基异质结量子阱，揭示量子阱的阻变行为。另外，研究最佳“读”和“写”策略，以改善金属/氧化物异质结阻变器件的稳定性能。
　　此项目的创新之处在于通过人工调控金属/氧化物异质结界面微结构的办法来改善器件的电阻态稳定性及疲劳特性，这是调控异质结界面附近缺陷密度、位置分布、缺陷阱深度等的有效方法，也是调节低阻态稳定性和阻变抗疲劳特性的非常重要的方法。目前，这方面的研究还很少。此外，到目前为止还几乎没人把异质结量子阱概念应用到阻变存储器设计中，因此尝试开展量子阱的阻变效应研究非常具有创新意义。最后，还有一个经常被忽略，但在器件的实际应用中却有重要价值的问题，即颜志波所提出的“通过在金属/异质结上制备具有非线性电阻率的氧化物薄膜，选择合适的‘读’‘写’电压脉冲，实现阻变稳定性能的改善”。通过这几大创新和新的尝试，会为RRAM的发展带来突破和机遇。
　　颜志波主要依托于南京大学固体微结构实验室完成项目研究。据悉，该实验室在新型低维材料制备、固体微结构观测和凝聚态物性表征方面均有较为系统完善的科研技术手段，可为项目的开展提供充分的支撑。经过两余年的艰苦攻关，项目即将于2016年年底结题，预计届时可以制备出不同界面微结构的金属/氧化物异质结样品，揭示界面微结构是如何影响和提高阻变性能稳定性的；同时成功制备具有阻变效应的量子阱样品，并揭示量子阱结构对阻变性能，尤其是对低电阻态稳定性及抗疲劳特性的作用。
　　
走过科研十年
　　
　　多年来，颜志波一直密切关注学术前沿热点问题，并积极投身国内外相关领域的学术交流会议，在国内每年举办的《秋季物理学会》、2010年7月在苏州举办的《先进非易失性存储材料与器件国际会议》和2011年11月在美国菲尼克斯举办的MMM会议《磁学和磁学材料会议》上都曾留下过他作报告的身影。在复杂氧化物的非易失性电阻开关效应研究领域，颜志波积累了丰富的实验经验、较强的实验与理论分析能力和较为扎实的学术写作本领。
　　这一切都源自他在南京大学凝聚态物理学专业进行博士研究的经历。在读博的这5年里，颜志波师从教育部“长江特聘教授”刘俊明教授。漫漫求学之路上，刘俊明教授好似一盏明灯为颜志波照亮前方的道路，而他也从导师身上汲取到宝贵的科研精神，“不管有没有天赋，都要勤奋，要积极投入，认真对待”。他也常常是拖着疲惫的身体、披星戴月回到家中。也许正是这份执着与拼搏，使颜志波收获了丰硕的科研果实。
　　在庞磁电阻锰氧化物中，颜志波发现由外电场的本征作用而引起的电阻跳变是易失性的，而由外电场/电流所引起的焦耳热能够引起系统电子相分离微结构的重构并导致电阻状态非易失性的改变。他还通过实验指出，人们可以通过利用电流/电压脉冲的焦耳热调控电子相分离态的方法实现非易失性电阻状态的控制。
　　在掺杂铁电氧化物(YMnO3和BaTi1-xCoxO3)薄膜中，他测得了高性能的阻变效应。实验表明，高电场破坏库仑势垒并导致样品中导电细丝的形成，实现从高阻到低阻的转变；而局部焦耳热引起的氧空位/氧离子的热扩散又导致了传导细丝的熔断，实现了从低阻到高阻的转变；另外，研究指出掺杂引起的局部巡游电子、易变价的金属离子、以及有足够高密度的氧空位浓度等因素都将有助于局部区域稳定的金属－绝缘体相变的发生，具有重要的指导意义。
　　在Ag/DyMnO3/Ag/DyMnO3/Pt器件中，他对新鲜样品不断进行I-V循环能，从而使器件从简单的双极阻变行为演化为特定的双极阻变行为，它不仅能解决阻变器件中的sneak path问题，还可直接应用于三维堆垛的RRAM器件中。
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　　从2006年到2016年，在科研的道路上颜志波已经走过了10个春夏秋冬。人们常说“十年磨一剑”，对于颜志波来说，这仅仅是他的第一个10年，未来，还会有更多的10年、20年。因为，科研是要用一生的精力去追求的。