1、电致阻变效应与阻变存储器研究

阻变存储器（RRAM）是下一代信息存储器的重要候选之一，但电致阻变效应的微观机制不清晰、器件性能参数离散度大等问题阻碍了RRAM的研发进程，此外，在新的应用领域也需要一些新型的信息器件。针对上述问题，我们重点研究了电场作用下金属离子以及其他带电基团在各类存储介质中的输运过程及其对器件宏观性能的影响规律，研发了包括柔性阻变器件、多功能阻变器件等在内的一些新型信息器件。

电致阻变效应与在电场作用下固体介质中金属离子的定向迁移密切相关，在纳米尺度甚至原子层面上原位研究离子的输运过程，有助于深入理解阻变的微观机理，为此我们首先研究了活泼金属电极对阻变特性的影响规律。发现采用活泼金属作为阳极时，活泼金属电极在电场诱导下经氧化、迁移、还原等复杂过程形成局域金属纳米导电丝是导致阻变效应的主要原因，建立了“倒三角”金属导电丝阻变模型。相关结果【Appl. Phys. Lett. 100, 072101 (2012)】被APL期刊编辑评选为2012年度研究亮点，并在APL网站做了重点报道。进一步，采用导电原子力显微镜（C-AFM）在纳米尺度下直接观察到了固体介质中的离子迁移过程，阐释了导电丝的形成和通断位置。相关结果【Scientific Reports 3, 1084 (2013)】被《中国科学报》（2013-02-18，第4版, 综合）和《科技金融时报》（2013-04-23，第A6版，创新）专题报导。其次，我们研究了惰性金属/氧化物电极对阻变特性的影响规律。发现惰性金属/氧化物电极作为电极时，氧化物中氧离子迁移形成的导电丝的通断是导致阻变效应的主要原因。比如，在ITO/HfO_x/ITO器件中，通过X射线光电子能谱深度分析（XPS Depth-Profiling）技术研究了起始态（IRS）和低阻态（LRS）下HfOx薄膜中不同深度处的氧/铪成分分布，发现在电场作用下氧离子迁移以及金属铪富集所形成的导电丝的生长、断裂和再生是该器件阻变过程的物理机制。相关结果【Adv. Funct. Mater. 24, 2110（2014)】被选为AFM内刊封面文章，《人工晶体学报》（2014年04期）给于转载和报道。

图1、固体介质中离子输运与（倒三角型）导电丝形成过程示意图【Appl. Phys. Lett. 100, 072101 (2012)】（左）。Li_xCoO₂薄膜的离子输运及阻变效应【Scientific Reports 3, 1084 (2013)】（中/右）。

在金属纳米导电丝形成与通断模型的基础上，我们提出了通过外加电场在固体介质中构建人工金属纳米结构的新思路，在RRAM器件中可控构建了金属纳米点接触结构，并在室温下获得了高度可控的量子电导，解决了金属导电丝的生长与通断过程随机性和器件阻态离散度大的问题，为研发多态存储技术提供了新方法。相关结果【Adv. Mater. 24, 3941 (2012)】被以原图引用的方式整段写入专著《阻变存储器材料与器件》中：“中国科学院宁波材料所的研究团队在Nb/ZnO/Pt 阻变结构上，通过精确控制电阻转变过程，首次观察到了导电细丝的低温超导行为和量子电导行为。这一发现证实了可以通过外加电场的方法在固体介质中构建原子尺度的纳米点接触结构，并在室温下实现电导量子化。该成果不仅为实现RRAM 器件的多态存储提供了新思路，也为人工构建原子尺度的纳米结构提供了一种新方法。”（科学出版社，2014-10-08，第20-21页）。

图2、基于纳米点接触结构的RRAM器件的电学特性（左）、量子电导行为（中）以及Adv. Mater.期刊封面图片【内刊封面文章，Adv. Mater. 24, 3941 (2012)】（右）。

此外，通过电场控制含氧基团的吸/脱附、电荷转移、客体分子极性反转以及有机离子的迁移与掺杂等方法，在有机材料中也实现了导电通道的可控构建，从而获得了稳定的阻变效应。相关结果发表在了JACS【J. Am. Chem. Soc. 134, 17408 (2012)，J. Am. Chem. Soc. 136, 17477 (2014)】上。

图3、质子酸掺杂聚西佛碱材料的直流I-V特性和多值阻变特性【J. Am. Chem. Soc. 134, 17408 (2012)】。

图4、Adv. Mater.期刊封面图片【内刊封面文章，Adv. Mater. 27, 2797 (2015)】（左）、铁酸钴薄膜中电场控制磁化方向可逆翻转【ACS Nano 9, 4210 (2015)】（中）、以及Adv. Funct. Mater.期刊封面图片【内刊封面文章，Adv. Funct. Mater. 25, 2677 (2015)】。

另外，我们还获得了一些新型的信息器件。比如，⑴利用兼备有机材料柔韧性、无机材料稳定性的多孔有机-无机杂化材料——有机金属框架材料HKUST-1成功制备了柔性阻变器件Au/HKUST-1/Au/PET，该器件能够在±70℃的宽温区范围内保持均一的阻变特性，更为重要的是，在动态的弯折测试过程中，器件可在0至2.8%的应变情况下仍能保持稳定可靠的存储性能。相关结果【Adv. Funct. Mater. 25, 2677 (2015)】被AFM选为内刊封面文章。⑵ 利用光脉冲和电场对金属-半导体肖特基接触界面处缺陷态电子浓度的可调控性，获得了电场可擦除的可持续光电导效应，基于此效应设计了一种集光信息的编码/解码、运算及存储于一体的新型信息处理与存储器件。相关结果【Adv. Mater. 27, 2797 (2015)】被AM选为内刊封面文章。⑶ 通过电场在纳米尺度下实现了对磁矩方向的调控，这种实现电场调控磁性的方法无需低温环境以及磁场的辅助，为发展新型的信息存储技术以及电场调控的自旋电子器件提供了一种新途径。相关结果发表在了ACS Nano【ACS Nano 9, 4210 (2015)】上。

上述结果在Adv. Mater.、ACS Nano、Proc. Nat. Acad. Sci.、Adv. Funct. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Sci. Rep.、Appl. Phys. Lett.等国际著名学术期刊上发表学术论文30余篇，SCI他引600余次。其中包括8篇封面论文、8篇邀请综述论文， 1篇论文被APL期刊编辑评选为2012年度VIP论文并在APL网站作为亮点工作报导，1篇论文被国家自然科学基金委出版的《中国科学基金》、科技部出版的《基础科学研究快报》和中国科学院出版的《中国科学院院刊》转载报道；申请发明专利20项，授权8项。此成果获得宁波市科技进步二等奖。基于此成果，李润伟研究员获得国家杰出青年科学基金支持，入选国家中青年科技创新领军人才。

2.低重稀土高性能烧结钕铁硼关键制备技术及产业化

2015年中科院宁波材料技术与工程研究所、宁波韵升股份有限公司、中国钢研科技集团有限公司共同完成的“低重稀土高性能烧结钕铁硼关键制备技术及产业化”获得宁波市科技进步一等奖。依托国家863课题“低钕、低重稀土烧结稀土永磁材料的关键制备技术（2011AA03A401）”,针对目前国内稀土永磁制造行业中高档钕铁硼磁体对重稀土依赖性强、重稀土资源消耗快、企业产品国际市场竞争力差等问题，从磁体重稀土元素分布和微观结构着手，重点研究了磁体性能与配方成分、铸片微结构、粉体制备、磁粉尺寸、粒度分布、成型取向和低温连续烧结等关键工序的科学规律，开发出以铸片柱状晶生长调控技术、氢化辅助辅合金气流磨破碎工艺与新装备技术、粒度分布调控技术为代表的多项关键技术。项目成功开发出45H 和42SHL等无重稀土高性能烧结钕铁硼磁体。45H磁体磁性能达到Br=13.7kGs，Hcj=17.65kOe，42SHL磁体磁性能为Br=13.15kGs，Hcj=19.79kOe。

经过专家鉴定，低重稀土45SH、无重稀土45H和42SHL烧结钕铁硼磁体填补国内空白，产品主要技术指标和生产稳定性属国内领先，磁体综合性能达到国际同类产品先进水平。与国际主要稀土永磁制造企业日本日立金属、TDK和德国VAC相比，本项目开发的符合企业标准的无重稀土45H磁体，剩磁介于国外企业产品中限，但矫顽力远高于其下限要求。本项目开发的无重稀土42SHL磁体，其剩磁和日立金属以及德国VAC的磁体相近，但日立金属仍需要添加1.5-2.5%的Dy才能达到矫顽力的要求，本项目开发的磁体更具成本优势。本项目开发的低重稀土45SH 磁体，剩磁处于日立金属开发的NMX-42F（Dy 含量为1.5-2.5%）磁体的上限，虽然重稀土略有增加，但矫顽力却远高于其下限要求。

项目实施过程中还开发多项产业化关键技术和装备，包括具有自动分选、粒度检测和多点氧含量监控功能的精密制粉技术及装备，具有自动下料、加剂、取料功能的自动成型装备，多点控温的连续烧结技术，提高了磁体的批量生产一致性和稳定性，建成了1000 吨低重稀土高性能烧结钕铁硼产业化生产线，顺利实现低重稀土高性能烧结钕铁硼磁体关键技术的产业化。

项目研发的低重稀土45SH、无重稀土45H、42SHL磁体目前已经应用到超薄硬盘音圈电机（VCM），EPS电动助力转向系统电机、超高精度芯片光刻录机，变频空调压缩机等高端应用领域。2012年-2014年低重稀土高性能烧结钕铁硼磁体三年总计销售收入72824万元，净利润8107万元，税收4094万元。以每万元磁体带动的下游产业经济增长100万元估算，本项目将带来巨大的社会环境效益和间接经济效益。