绘制 SrFeOx 忆阻器件中拓扑相变的局部结构

《Applied Surface Science》：Mapping the local structure of the topotactic phase transition in SrFeO x memristive device

　　

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  原位拉曼光谱揭示了SrFeO_x中的局部同构相变。
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  在SET操作过程中，混合钙钛矿相形成导电丝。
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  取向控制丝状体的形状和氧扩散通道。
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  SFO (1 1 1) 中的模拟开关功能实现了神经形态功能。

引言

由氧化还原反应驱动的氧含量变化触发了过渡金属氧化物中高度可逆的同构相变（TPT），从而显著改变其物理性质，如电导率和磁性状态[1], [2], [3], [4]。利用电场实现多种导电和磁性状态的能力对于非易失性存储应用具有重要价值[5], [6], [7]。特别是，基于同构相变的忆阻行为在过渡金属氧化物中提供了一种独特的机制，可实现可靠且高性能的忆阻器[5], [6], [8]。此外，外部刺激可以精确控制同构相变过程的逐步调控，从而产生多种模拟电阻状态。这种模拟行为对神经形态计算大有裨益[9], [10], [11]。

近年来，基于同构相变的忆阻器件，如SrFeO_3-x、SrCoO_3-x和LaSrMnO₃，因其引人入胜的开关机制及相关性能而受到广泛关注，包括在不同电阻状态之间可靠且可重复的开关、长期稳定性、高耐久性以及低功耗操作[2], [5], [6], [7], [12]。最近，我们成功展示了外延SrFeO_x中的忆阻行为，包括可靠的电阻开关性能以及关键开关特性（循环到循环和器件到器件的变化）的高均匀性[7], [8], [13], [14]。通过工程化氧空位通道（OVCs）将其与底部电极（BE）和顶部电极（TE）连接，实现了超过10⁶循环的器件耐久性[8]。利用原位X射线吸收光谱显微技术，我们鉴定了SrFeO_x活性层中由于勃朗米勒相（BM, x = 2.5）和钙钛矿相（PV, x = 3）之间的局部同构相变所引起的导电丝的形成和断裂[7]。虽然该X射线吸收光谱显微实验通过价态变化和相应的电子结构解释了所观察到的开关特性，但关于结构变化和相应氧化学计量的直接实验证据仍然缺失。此外，取决于SrFeO_3-x的氧含量（x），它可以表现出多种中间相。因此，理解这些复杂氧化物系统中氧含量、结构相变与相应电性能之间的关系，对于在器件层面功能化离子触发的结构相变至关重要。在这一背景下，拉曼光谱作为一种强大的、快速的且易于获取的技术，可用于探测同构相变[15], [16]。它对局部晶格振动、键合对称性和八面体畸变的细微变化非常敏感，从而为这些复杂氧化物系统中的结构相变演化提供了直接洞察。

在这篇通讯中，我们利用原位拉曼光谱研究了SrFeO_x中的电阻开关过程及伴随的结构转变。我们对振动模式的综合分析提供了关于氧再分布驱动的结构相变的关键洞察，使我们对基于SrFeO_x的忆阻器件中电诱导的局部同构相变有了详细理解。

章节片段

薄膜生长

外延SrFeO_x薄膜通过脉冲激光沉积（PLD）在（0 0 1）和（1 1 1）取向的LSAT单晶衬底上生长。KrF准分子激光（λ = 248 nm）以约1.5 J/cm²的 Fluence 和4 Hz的重复频率运行，用于烧蚀SrFeO_3-δ靶材。衬底温度维持在700°C，氧分压设置为1 × 10?⁵ mbar以稳定BM相。薄膜厚度通过反射高能电子衍射进行实时监测

结果与讨论

图1a展示了在LSAT（001）衬底上底部电极SRO层初始生长过程中观察到的RHEED强度振荡。插图描绘了最终生长阶段相应的RHEED强度衍射图案。斑点强度振荡了一次后达到稳态，并保持恒定直至生长停止。这种RHEED强度的行为表明SRO薄膜的生长模式从二维层状生长转变为

结论

总之，本研究利用拉曼光谱全面调查了外延SrFeO_x忆阻器件中的同构相变及其在电阻开关中的作用。我们的发现提供了与氧化还原驱动的氧再分布相关的局部结构转变的直接光谱证据，弥合了先前电子结构研究与晶格动力学之间的差距。结果表明，即使是氧化学计量比的微小变化（x ≈ 2.5至2.7–2.87）也

CRediT作者贡献声明

Venkata Raveendra Nallagatla：撰写——初稿，方法学，调查研究，概念化。 Maxim N. Popov：撰写——审阅与编辑，方法学。 Marco Deluca：撰写——审阅与编辑。 Regina Dittmann：撰写——审阅与编辑。 Chang Uk Jung：撰写——审阅与编辑，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）资助（由韩国政府（MSIT）资助）（项目编号：2020R1A2C2006187）。C.U.J.得到了韩国外语大学研究基金2024年度的支持。M.N.P.感谢在COMET计划范围内K2中心"集成计算材料、工艺和产品工程（IC-MPPE）"的财政支持（项目编号886385）。

Venkata Raveendra Nallagatla|Maxim N. Popov|Marco Deluca|Regina Dittmann|Chang Uk Jung