離子輸運是物理、化學和生命科學研究的一個基本過程，其性質對儲能、催化和阻變存儲等器件性能有重要的影響。在實驗上高分辨表征離子輸運過程和表界面電化學反應對揭示器件工作機理和開發新型器件具有重要的意義。物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)表面物理國家重點實驗室多年來致力于原位透射電鏡-掃描探針聯合技術的開發與納米表征研究。利用原位透射電鏡(in-situ TEM)方法可以將納米器件置入電鏡內對器件工作的動態過程進行原位高分辨觀測表征，研究器件的工作機理。最近，他們通過優化掃描探針的機械和電子學設計方案，改善儀器的性能，提高了觀測的穩定性和分辨率，在離子輸運動力學及其相關的阻變存儲器機理研究方面取得新進展。
阻變存儲器(RRAM)因其具有低功耗、高集成度、低寫入電壓、可3D集成等諸多優點，有潛力成為下一代非易失性存儲器。它主要是利用某些薄膜材料在電激勵的作用下會出現不同電阻狀態(高、低阻態)的轉變現象來進行數據的存儲。RRAM器件一般具有“金屬—介質—金屬”的三明治結構。這種三明治結構的絕緣介質層可以是二元或者多元的金屬氧化物，或者是硫屬化合物，以及有機化合物等。根據在絕緣體層傳導的離子不同，又常將RRAM分成陽離子型存儲器與陰離子型存儲器。離子傳輸引起導電物質遷移從而形成導電通道，這是被廣泛接受的模型，但是對于離子輸運和導電通道形成的動力學過程目前仍然缺少直接的實驗證據。
在過去的幾年里，研究人員利用原位透射電鏡方法研究了金屬氧化物和硫化物中氧離子、金屬離子的電遷移和電極界面氧化還原反應過程，以及這些過程導致的阻變效應【JACS 132, 4197 (2010); ACS Nano 4, 2515 (2010); APL 99, 113506 (2011); JAP 111, 114506 (2012), etc.】，這些工作是阻變存儲器機理研究的有益探索。最近，他們開展了Ag/SiO2/p-Si體系的阻變機理研究，在透射電鏡內原位觀測Ag納米顆粒的生長、遷移的動力過程及其伴隨的電致阻變效應。針對一個獨立的SiO2中包埋的Ag顆粒進行觀察，在電場下銀顆粒逐漸收縮，沿電場前方有小顆粒析出并逐漸長大，同時剛生長的顆粒前方又開始有新的小顆粒析出。該顆粒充當“中繼站”的作用，其后方的顆粒物質傳遞過來，同時又輸送給前方顆粒使其逐漸長大，沿著電場方向依次進行，遞推前移。其物理過程是，銀顆粒表面在電場下產生極化，沿電場方向的兩側表面分別呈現正和負極性，即一個金屬顆粒表現為雙極性，當極化強度足夠大時，在正負電極處發生氧化還原反應，即正極一側氧化生成銀離子，電場驅動其遷移，負極一側又將傳輸過來的銀離子還原。銀離子在電化學勢作用下發生遷移，并和氧化還原反應同時進行，形成了邊消耗邊生長的逐步移動過程。從能帶的角度給出了離子輸運動力學過程的物理圖像，還進行了有限元方法模擬計算，指出這些銀顆粒作為雙極性電極需要滿足的臨界尺寸，與實驗結果一致。這項研究應用自行研制的原位透射電鏡儀器表征了固體介質中金屬離子輸運及其伴隨的電化學傳質過程，對深入理解離子型阻變存儲器機理具有重要意義。該工作是由博士生田學增、副研究員許智、研究員王文龍和白雪冬等完成的，相關結果發表在近期的Advanced Materials 26, 3649 (2014)上。
這項工作得到了國家自然科學基金委、和中科院的資助。
圖1. 實驗測試示意圖和Ag顆粒電遷移過程的原位TEM圖像，Scale bar: 10 nm
圖2. 包埋在SiO2中的Ag顆粒及其雙極性極化示意圖
圖3. 納米Ag顆粒電化學傳質過程的高分辨成像
圖4. Ag離子輸運及其伴隨的電化學傳質過程的物理模型
