[发明专利]亚稳相稀土镍基氧化物电子相变半导体非贵金属接触电极

说明书

本发明提供一种使用铂、金、钯以外金属作为稀土镍基氧化物电极，通过控制金属电极与稀土镍基氧化物的功函数匹配特性，实现对稀土镍基氧化物的低阻欧姆接触并调控氢致电子相变速率的技术方法。针对稀土镍基氧化物的电子、空穴混合载流子电输运机制，本发明可通过高功函数金属或合金接触实现空穴主导输运下的低阻欧姆接触，亦可通过低功函数金属或合金接触实现电子主导输运下的低阻欧姆接触。此外，通过调控金属与稀土镍基氧化物的功函数匹配关系，控制氢气或混合氢气气氛下稀土镍基氧化物的氢致电子相变速率及电阻率突变程度。本发明所提供技术可应用于突变式热敏电阻的低阻欧姆接触、场效应晶体管、逻辑器件、可重构电子器件等领域。

技术领域

本发明属于金属半导体、电子相变材料领域，涉及一种亚稳相稀土镍基氧化物电子相变半导体非贵金属接触电极。

背景技术

稀土镍基氧化物(RENiO₃，RE为稀土元素)区别于传统半导体而具有金属-绝缘体相变特性【Phase Transitions,2008,81,729】，即在特定温度下发生电输运特性的突变。相比于存在类似金属-绝缘体相变特性的VO₂，稀土镍基氧化物具有相变温度可以通过多种途径实现在100-600K宽温区范围内连续可调的优势。这种半导体材料可通过改变稀土元素或Ni位掺杂实现相变温度的宽范围连续调控，例如随着A位稀土元素离子半径增加，相变温度逐渐降低，SmNi_1-xCo_xO₃中Co含量增加导致相变温度逐渐降低；通过施加外界机械压力实现相变温度的连续降低，例如PrNiO₃的相变特性在14.1kbar压力下降低至1.5K以下【Phys.Rev.B.,1993,47,12357】；通过衬底模板效应将薄膜材料相变温度偏离块体材料本征相变温度，例如生长在LaAlO₃衬底上的NdNiO₃薄膜相较于块体材料相变温度下降了50度【J.Appl.Phys.,2013,114,243713】。稀土镍基氧化物由其独特的半导体特性可应用于光电器件、电阻器件、磁阻器件等领域，例如光电检测、红外伪装、Mott晶体管、磁输运等。为实现稀土镍基氧化物良好的相变特性，接触电极应与稀土镍基氧化物实现欧姆接触，较小的接触电阻不影响材料本征的电输运特性。

稀土镍基氧化物还具有氢致相变特性，通过质子插入诱导稀土镍基氧化物轨道构型发生至的强关联态转变【Appl. Phys.Lett.,2015,107,031905】。其可通过化学途径的电子掺杂实现掺杂剂的可逆插入，实现了在室温下高达八个数量级的可逆电阻率调控【Nat. Commun.,2014,5,4860】。氢致相变可应用于低温燃料电池，SmNiO₃通过自发氢或Li⁺、Na⁺等碱金属离子掺入引起的莫特跃迁来抑制电子传导充当质子导体，实现电子或离子的外电路选择性传输【Nature,2016,534, 231】。SmNiO₃可以与周围的水交换质子产生氢致相变，同时改变其电阻和光学特性，可用于监测来自各种海上船只和海洋生物的电信号【Nature,2017,553,68】。氢致相变可用于葡萄糖的酶促氧化过程的监测，原理为生物葡萄糖反应产生的氢自发转移到SmNiO₃晶格中【Nat. Commun.,2019,10,1651】。在高速电脉冲下可以调节质子分布，作为一种应用于人工智能的可重构电子器件【Science,2022,375,533】。另一方面，氢致相变导致光学特性发生巨大变化，实现由等离子体超表面和 SmNiO₃组成的混合结构对光进行调谐，证明了SmNiO₃的氢致相变在有源光子器件应用中具有巨大潜力【Adv.Mater.,2016,28,9117】。