本发明专利技术提供一种使用铂、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，本发明专利技术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。本发明专利技术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。件等领域。件等领域。
【技术实现步骤摘要】
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
[0001]本专利技术属于金属半导体、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。
技术介绍
[0002]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
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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
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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
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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，SmNi1‑
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Co
x
O3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。
[0003]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
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、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】。
[0004]在实际应用中电极金属应与稀土镍基氧化物半导体形成欧姆接触，接触界面上形成较小的传导电阻，这种电极接触不影响稀土镍基氧化物及器件的阻变功能特性。为实现欧姆接触，一般情况下，当金属功函数小于N型半导体功函数时，电子向半导体方向输运，半导体表面的电子浓度远大于体内，形成界面高电导区，与N型半导体形成欧姆接触；当金属功函数大于P型半导体功函数时，空穴向半导体方向输运，半导体表面的空穴浓度远大于体
内，形成表面高电导区，与 N型半导体形成欧姆接触。因此选用具有适当功函数的金属电极材料就可能得到欧姆接触。
[0005]通常选用铂族Pt、Pd或复杂的多层贵金属如Ti/Au等作为稀土镍基氧化物的电极接触材料，其中Pt在单一金属中具有最高的功函数，贵金属Pt可以与空穴载流子输运主导的P型半导体稀土镍基氧化物形成欧姆接触；同时Pt电极可以诱导质子自发进入稀土镍基氧化物晶格，是氢致相变的重要媒介。但实际应用因Pt电极价格高昂而受限。因此急需寻找一种可替代贵金属Pt的价格低廉的非金、非铂贵金属电极材料，此材料可以与稀土镍基氧化物半导体形成良好的欧姆接触，同时此材料可以调控质子沿稀土镍基氧化物表面向材料内部的扩散能力。
技术实现思路
[0006]本专利技术的目的在于提供一种稀土镍基氧化物电子相变材料在铂、金、钯等贵金属以外的金属半导体电极接触电极，针对不同成分的稀土镍基氧化物，通过选用与之匹配功函数的金属单质及在此基础上与其他金属形成固溶体、合金化合物或电极阵列，实现对金属电极的功函数调节，进而调控电子、空穴、质子经金属电极向稀土镍基氧化物内部的迁移特性，从而实现低阻欧姆接触、提高质子向稀土镍基氧化物内部扩散两方面功能。基于稀土镍基氧化物在不同功函数的金属或合金化合物电极接触下表现的电子、空穴混合载流子电输运特性，以高功函数(大于5.12eV)非金、非铂、非钯的非贵金属及合金化合物作为空穴载流子电输运主导下的金属半导体接触电极，以低功函数 (小于4.72eV)非金、非铂、非钯的非贵金属及合金化合物作为电子载流子电输运主导下的金属半导体接触电极；基于稀土镍基氧化物氢致电子相变所引起的电阻巨幅突变，以高、低功函数金属及其合金化合物构建质子势垒，调控质子内扩散热力学及动力学过程，可实现对稀土镍基氧化物氢致电子相变特性的调节。利用本技术所制备的金属电极
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稀土镍基氧化物电子器件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。
[0007]一种稀土镍基氧化物电子相变材料的金属半导体电极接触电极，其特征在于，使用铂、金、钯以外的非贵金属单质或合金化合物作为稀土镍基氧化物接触电极，通过调控金属电极组分实现其与含有不同稀土元素的稀土镍基氧化物的功函数匹配，从而实现对电子、空穴、质子在金属电极与稀土镍基氧化物界面处的输运特性的调控。基于稀土镍基氧化物空穴、电子混合载流子电输运特性，一方面调控非贵金属电极功函数远高于稀土镍基氧化物，选择大于5.12eV，以实现稀土镍基氧化物表面的空穴富集，从而实现低阻欧姆接触；另一方面，调控非贵金属电极功函数远低于稀土镍基氧化物，选择小于4.72eV，以实现稀土镍基氧化物表面的电子富集，从而实现低阻欧姆接触；再一方面，在稀土镍基氧化物氢致电子相变中，调控其表面金属电极功函数从而控制质子通过金属与氧化物界面的肖特基势垒，以实现对质子沿界面的内扩散动力学过程的调控，从而进一步控制稀土镍基氧化物氢致电子相变速率与电阻率突变程度。
[0008]进一步地，所述稀土镍基氧化物为处于热力学亚稳态的扭曲钙钛矿氧化物，其具有特征温度触发下的金属
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绝缘体相变特性，以及化学、电化学氢致触发下的氢致电子相变特性，其具有电子、空穴混合电输运机制；其结构为RENiO3钙钛矿结构：RE位(A位)为单一稀土元素或多种稀土元素的组合，包括镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于，使用铂、金、钯以外的非贵金属单质或合金化合物作为稀土镍基氧化物接触电极，通过调控金属电极组分实现其与含有不同稀土元素的稀土镍基氧化物的功函数匹配，从而实现对电子、空穴、质子在金属电极与稀土镍基氧化物界面处的输运特性的调控；基于稀土镍基氧化物空穴、电子混合载流子电输运特性，一方面调控非贵金属电极功函数远高于稀土镍基氧化物，选择大于5.12eV，以实现稀土镍基氧化物表面的空穴富集，从而实现低阻欧姆接触；另一方面，调控非贵金属电极功函数远低于稀土镍基氧化物，选择小于4.72eV，以实现稀土镍基氧化物表面的电子富集，从而实现低阻欧姆接触；再一方面，在稀土镍基氧化物氢致电子相变中，调控其表面金属电极功函数从而控制质子通过金属与氧化物界面的肖特基势垒，以实现对质子沿界面的内扩散动力学过程的调控，从而进一步控制稀土镍基氧化物氢致电子相变速率与电阻率突变程度。2.如权利要求1所述的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，其特征在于，其特征在于，所述稀土镍基氧化物为处于热力学亚稳态的扭曲钙钛矿氧化物，其具有特征温度触发下的金属
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绝缘体相变特性，以及化学、电化学氢致触发下的氢致电子相变特性，其具有电子、空穴混合电输运机制；其结构为RENiO3钙钛矿结构：RE位(A位)为单一稀土元素或多种稀土元素的组合，包括镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇、钐钕(SmxNd1
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x，0<x<1)、钐镨(SmxPr1
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x，0<x<1)、铕钕(EuxNd1
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x，0<x<1)、钐钆(SmxGd1
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x，0<x<1)、钐铕钆(SmxEuyGd1
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x
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y，0<x,y,x+y<1)；镍元素占据钙钛矿结构中的B位；通过调控稀土元素组分及占位比例可实现对稀土镍基氧化物电子结构及电输运特性以及功函数的调...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈吉堃，李子昂，高景鑫，
申请(专利权)人：北京低碳清洁能源研究院，
类型：发明
国别省市：
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