DALI用于研究涉及隱藏電荷密度波態(tài)的快速電子電阻開關
固體材料往往在低溫下發(fā)生相變，產(chǎn)生全新的物理性質(zhì)。電荷密度波是金屬材料在低溫下發(fā)生相變后的一種可能的基態(tài)，導致原本均勻分布的電荷密度在實空間發(fā)生周期性波動，并且伴隨著晶格畸變。這種現(xiàn)象在低維金屬材料中十分普遍。人們對一維條件下電荷密度波的形成原因已經(jīng)有了比較清楚的認識。二維或準二維電荷密度波材料更為豐富，但關于其形成機理卻始終存在著不同的觀點。此外，在不少材料中電荷密度波與超導存在著微妙的關聯(lián)。這些原因使電荷密度波成為凝聚態(tài)物理中備受關注的一個研究方向。
計算機存儲元件的功能目前是基于多重穩(wěn)定性的，通過局部操縱晶體管中的電子密度或通過切換磁性或鐵電順序來驅(qū)動。另一種可能性是通過離子的運動在金屬相和絕緣相之間轉(zhuǎn)換，但它們的速度受到成核緩慢和不均勻滲透生長的限制。
斯洛文尼亞的Jozef Stefan Institute團隊展示了一種脈沖電流注入引起的電荷密度波系統(tǒng)的快速電阻開關。其中注入的電荷通過與CDW階參量的梯度耦合產(chǎn)生域壁(DWs)，在低溫下將材料從絕緣態(tài)轉(zhuǎn)化為金屬態(tài)。從技術(shù)的角度來看，這為低溫超高速存儲設備的出現(xiàn)提供了可能性，而低溫超高速存儲設備的缺乏迄今為止嚴重阻礙了超高速節(jié)能超導計算的發(fā)展。
樣品制備：以碘為輸運劑，采用化學輸運法生長T-TaS2晶體，平均橫向尺寸為1 ~ 5mm，厚度~100 mm。用膠帶將單晶剝離得到薄片。將得到的50 ~ 100納米厚的薄片沉積在藍寶石襯底上。使用DALI光刻機，激光直接光刻技術(shù)在薄片頂部沉積4個金電極，初始層厚度為10 nm。
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DALI光刻機 基本參數(shù)：
⊙基板尺寸：100x100 mm
⊙激光波長：375 nm
⊙直寫光斑 ：1 µm 和 3 µm
⊙激光光斑定位分辨率： <1nm
⊙直寫速度：100.000 點/秒
⊙最小結(jié)構(gòu)尺寸：1µm
⊙設備尺寸 ：650 × 522 × 626 mm 80 kg
內(nèi)含用于對準與觀察的顯微成像系統(tǒng)
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實驗是在1T-TaS2上進行的，它在高溫下是一種簡單的金屬，具有單個Ta d電子帶穿過費米能級。在Tc0=543 K時，形成集成電路CDW。在Tc1=350 K以下冷卻時，為了符合底層晶格，IC結(jié)構(gòu)形成了一個幾乎相稱的(NC)狀態(tài)，其中每個13個Ta原子上的電子定位，導致由DWs分隔的NC極化子簇的規(guī)則六角形陣列。在Tc2=183 K以下，DWs消失，形成完全相稱的六邊形極化超晶格，這被認為是具有DMott≃0.1 eV的Mott絕緣體。
當電荷脈沖穿過材料時，它將1T-TaS2中有序的極化子Mott絕緣態(tài)轉(zhuǎn)換為具有紋理化域壁的亞穩(wěn)電子態(tài)，并伴隨著極化子態(tài)到邊緣態(tài)的轉(zhuǎn)換，同時從絕緣體到金屬的快速切換。大的電阻變化，高開關速度(30 ps)和超低的每比特能量為非易失性存儲設備操縱全電子狀態(tài)的新概念開辟了道路。
圖1 切換速度和閾值行為
圖1(a)以高于閾值IT的單脈沖測量的開關電阻比，每次從HI電阻狀態(tài)開始(紅色圓圈)。黑色圓圈表示電流脈沖后的電阻率。(b)以1s脈沖擦除，每次從LO電阻狀態(tài)(紅色圓圈)開始。黑色圓圈表示施加擦除脈沖后的電阻率。數(shù)據(jù)是通過交替寫入/擦除周期和增加脈沖長度來獲得的。(c)以金屬-半導體-金屬(MSM)器件為電流源進行30ps測量的電路。(d)每個脈沖期間測量的電壓V，脈沖電流I先遞增后遞減，分別由路徑(1)和路徑(2)所示。在閾值電流IT以上，V突然在兩個連續(xù)的電流值之間下降。(e)與d相同，但從低阻狀態(tài)開始，沿路徑(1)增加脈沖，然后沿路徑(2)減小脈沖。在所有情況下，T=20 K，脈沖長度為10 ms。
圖2 1T - TaS2的平衡相和開關行為的演示
圖2(a)為不同溫度下1T - TaS2中CDW的不同狀態(tài)示意圖。圖(b)為響應來自電流源的脈沖從HI電阻切換到LO電阻的時間行為。虛線表示沒有開關時的外推電壓。其中R為雙端電路電阻，變化范圍為53 ~ 44 ns。弛豫時間的擬合表明，開關后的τ與脈沖結(jié)束時的τRC之間的差值小于0.3 ns，這對器件的固有速度設置了限制。插入顯示了測量電路。小的疊加振蕩是由于電路的振鈴。
相關成果以"Fast electronic resistance switching involving hidden charge density wave states”為題發(fā)表在《自然—通訊》 (Nature Communications)上
計算機存儲元件的功能目前是基于多重穩(wěn)定性的，通過局部操縱晶體管中的電子密度或通過切換磁性或鐵電順序來驅(qū)動。另一種可能性是通過離子的運動在金屬相和絕緣相之間轉(zhuǎn)換，但它們的速度受到成核緩慢和不均勻滲透生長的限制。
斯洛文尼亞的Jozef Stefan Institute團隊展示了一種脈沖電流注入引起的電荷密度波系統(tǒng)的快速電阻開關。其中注入的電荷通過與CDW階參量的梯度耦合產(chǎn)生域壁(DWs)，在低溫下將材料從絕緣態(tài)轉(zhuǎn)化為金屬態(tài)。從技術(shù)的角度來看，這為低溫超高速存儲設備的出現(xiàn)提供了可能性，而低溫超高速存儲設備的缺乏迄今為止嚴重阻礙了超高速節(jié)能超導計算的發(fā)展。
樣品制備：以碘為輸運劑，采用化學輸運法生長T-TaS2晶體，平均橫向尺寸為1 ~ 5mm，厚度~100 mm。用膠帶將單晶剝離得到薄片。將得到的50 ~ 100納米厚的薄片沉積在藍寶石襯底上。使用DALI光刻機，激光直接光刻技術(shù)在薄片頂部沉積4個金電極，初始層厚度為10 nm。
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DALI光刻機 基本參數(shù)：
⊙基板尺寸：100x100 mm
⊙激光波長：375 nm
⊙直寫光斑 ：1 µm 和 3 µm
⊙激光光斑定位分辨率： <1nm
⊙直寫速度：100.000 點/秒
⊙最小結(jié)構(gòu)尺寸：1µm
⊙設備尺寸 ：650 × 522 × 626 mm 80 kg
內(nèi)含用于對準與觀察的顯微成像系統(tǒng)
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實驗是在1T-TaS2上進行的，它在高溫下是一種簡單的金屬，具有單個Ta d電子帶穿過費米能級。在Tc0=543 K時，形成集成電路CDW。在Tc1=350 K以下冷卻時，為了符合底層晶格，IC結(jié)構(gòu)形成了一個幾乎相稱的(NC)狀態(tài)，其中每個13個Ta原子上的電子定位，導致由DWs分隔的NC極化子簇的規(guī)則六角形陣列。在Tc2=183 K以下，DWs消失，形成完全相稱的六邊形極化超晶格，這被認為是具有DMott≃0.1 eV的Mott絕緣體。
當電荷脈沖穿過材料時，它將1T-TaS2中有序的極化子Mott絕緣態(tài)轉(zhuǎn)換為具有紋理化域壁的亞穩(wěn)電子態(tài)，并伴隨著極化子態(tài)到邊緣態(tài)的轉(zhuǎn)換，同時從絕緣體到金屬的快速切換。大的電阻變化，高開關速度(30 ps)和超低的每比特能量為非易失性存儲設備操縱全電子狀態(tài)的新概念開辟了道路。
圖1 切換速度和閾值行為
圖1(a)以高于閾值IT的單脈沖測量的開關電阻比，每次從HI電阻狀態(tài)開始(紅色圓圈)。黑色圓圈表示電流脈沖后的電阻率。(b)以1s脈沖擦除，每次從LO電阻狀態(tài)(紅色圓圈)開始。黑色圓圈表示施加擦除脈沖后的電阻率。數(shù)據(jù)是通過交替寫入/擦除周期和增加脈沖長度來獲得的。(c)以金屬-半導體-金屬(MSM)器件為電流源進行30ps測量的電路。(d)每個脈沖期間測量的電壓V，脈沖電流I先遞增后遞減，分別由路徑(1)和路徑(2)所示。在閾值電流IT以上，V突然在兩個連續(xù)的電流值之間下降。(e)與d相同，但從低阻狀態(tài)開始，沿路徑(1)增加脈沖，然后沿路徑(2)減小脈沖。在所有情況下，T=20 K，脈沖長度為10 ms。
圖2 1T - TaS2的平衡相和開關行為的演示
圖2(a)為不同溫度下1T - TaS2中CDW的不同狀態(tài)示意圖。圖(b)為響應來自電流源的脈沖從HI電阻切換到LO電阻的時間行為。虛線表示沒有開關時的外推電壓。其中R為雙端電路電阻，變化范圍為53 ~ 44 ns。弛豫時間的擬合表明，開關后的τ與脈沖結(jié)束時的τRC之間的差值小于0.3 ns，這對器件的固有速度設置了限制。插入顯示了測量電路。小的疊加振蕩是由于電路的振鈴。
相關成果以"Fast electronic resistance switching involving hidden charge density wave states”為題發(fā)表在《自然—通訊》 (Nature Communications)上
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