TW543082B - Electronic device having controllable conductance - Google Patents

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TW543082B
TW543082B TW090121632A TW90121632A TW543082B TW 543082 B TW543082 B TW 543082B TW 090121632 A TW090121632 A TW 090121632A TW 90121632 A TW90121632 A TW 90121632A TW 543082 B TW543082 B TW 543082B
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electrodes
conductance
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TW090121632A
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Masakazu Aono
Tsuyosi Hasegawa
Tomonobu Nakayama
Kazuya Terabe
Original Assignee
Japan Science & Tech Corp
Rikagaku Kenkyusho
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Description

543082
本發明係有關一種於對向之電極間 或點接觸，可使其變細或將其切斷之^ ^橋、細線及/ 使用此電子元件，控制電導之方法。兒子元件，以及一種 先前技術 、過去固然有關於藉由建構電橋、細 導之方法之報告（J · K ·吉姆糾斯美、"點接觸，控制電 ( 1 987 ) 1 284 ' J.L.柯斯培〜克拉土摩° N莫勒：物理評論B36 -摩加勒斯.Ρ· A.瑟里納.Μ· I.馬杳ζ ' ·加—希亞、P.加布亞 Β5 5 ( 1 9 9 7 ) 54 1 6、Η·大西、γ·近藤和施希亞：物理評論 ( 1 9 9 8 ) 78 0等），惟其均如圖]所:ϋ •高柳：自然395 屬針（金、銀、銅、鐫等）與對向之八、、壓電元件之金 等）之間進行電橋、細線、點接觸之基板，（金、銀、銅 加電壓於壓電元件，使壓I开 首先’藉由施 板接觸。其次，藉由徐徐滅小施加於壓兩；；1針與對向基 壓電元件收縮，逐漸切斷金屬針盥斜 :f彳之電壓，使 此切斷過程中’在金屬針與對向基板：；二m (金、銀等）構成之電橋（包含細線或點接觸）。 ’、子 惟，由於在使用此方法架設電子元件情形下，需要移 電極（亦即金屬針）之歷電元件，將此電極移動，=將電5 元件裝入電路内等有困難。又由於需要用來驅動壓電 之多餘電極，故不適於裝入高密度集成之電路。又，在建 構包含造成電導量化之細線或點接觸之電橋方面，須繁^ 且精密地控制壓電元件。符合實用地製成具有此種功能之
I I - 五、發明說明（2) 電子元件有困難 、本發明提供一種於電極 或點接觸之電橋之方法， 冓匕含造成電導量化之細線 之電導之方法。其目的在^:徂，供—種容易控制此電橋 間之前述電橋、點接觸之帝^ —種用於控制建構在電極 ν之電子元件。 為達成上述目的，本發明 (1)使用兼具離子導電性和 料於電子元件之—電極。 ν毛性之混合導電體材 (j)於使用此電子元件時，施加 v電體電極與對向之電極之間，屯次和電流於前述混合 體材料内之可動離 =，移動前述混合導電 構成之自原子大小至納= 成由此離子(原子） 當反覆進行藉由使此突起物進—步。其按照目的，適 極，於前述電極間建構前述離成^ ^觸對向之電 驟，以及在前述電橋建構後，使成之電橋之步 此，使構成前述電橋之離子（原子極性相反，藉 電極’使前述電橋變細或將其切斷之步驟f之-合導電體 (3)於上述（2)中，藉由控制電極間之電 包含使電導量化之細線或點接觸之電橋電▲ ’建構 藉:古上述(2)或(3)架設之電極間之電橋、細線、 亦即，本發明之係由具有離m:之功-。 1寻導性及電子傳導性
C:\2D-CODE\90.11\90121632.ptd 第6頁 543082 五、發明說明（3) 之混合導電體材料形成之第一電極及導電性物 ^極構成，可控制電極間之電導之電子元件：此以 電驵材料以Ag2S(硫化銀）、A Se(硒化銀） 或Cu2SeU西化銅）較佳。 2 U Lu2SUil化銅） 、、本發明另一主題係施加電壓於 述第一電極，第二電極為負， a電極間，俾相對於前 朝第二電極方向移動，藉此，可動離子自前述第一 述電子元件。 ”電極間形成電橋之上 本發明再另一主題係電極間 下二步驟中至少一步驟··施加電厥V之控制方法’其包括以 於士述電子元件之第一電極， 於前述電極間，俾相對 f述電極間之步驟，·以及藉由使ί動，藉A，形成電橋於 反，使則迷電橋變細或將其切2述電極間之電壓極性相 本發明又再另一主題係藉由 步驟。 間，控制電導之上述方法。也加脈衝狀電壓於前述電極 又，較佳者係上述電極間之 ⑹以 v量化，尤佳者係電導 自蚋述第電極朝第二電極方向β，極為負，使可動離子
G 2e2 n ΊΤ Σ Ti h i=i (式中，e係基本電量，h係蒲 之第1通道穿透概率）來表示。常數，Ti係有助於電導 發_明之實施 於固體結晶内，於水溶液内，★ ______ 子均同樣容易活動之物 11ΙΙΓ 第 C:\2D-CODE\90-ll\9012l632.ptd 543082 五 發明說明（4) 質業已周知，僅傳導離子之物 子和電子之物質稱為混合導電體：為雖子導電冑，傳導離 圖2顯示本發明藉由可動離子（原 電極間之電子元件具體例。如圖2所？ :7建構電橋於 合導電體材料構成對向電極之1第、明係使用混 電極(11及12)略微浮出基板13之構：：上者。亦考慮 2中之電極間無基板存在，電橋形成於空 = 以；電=距離通常約在1〇〇nm以下，較佳者約在1〇ηπι 將電極置於半導體或絕緣體薄 -者 板之情形而改變…，二 ; ^j正笔極間之距離。上述電極間之距離考慮此、 事，舉出一般基準。 Θ 、又，施力yv(伏特）以下，較佳者〇_”以下，尤佳者〇·^ =下之電壓於本發明之電極間，流過之電流在丨〇 〇 # A (微 安）以下，較佳者在50 //A以下，尤佳者在1〇 # A以下。 又，此電子元件之消耗功率在1〇-4W(瓦特）以下，較佳者在 1 0 5 W以下’尤佳者在1 〇_6 ψ以下。 本發明之混合導電體材料列舉之，有& γ (式中，X為jj b 族金屬（Cu(銅）、Ag(銀）、Au(金），γ為VIa屬元素（〇(氧） 、S(硫）、Se (硒）、Te(碲）、p〇(釙））表示之複合物，就複 合氧族化合物系來說，有CUxM〇6S8、Agj。士、CUxM〇3Se4、
AgxMo3Se4、CuxMo3S4、AgxMo3S4、AgCrSe2、就金屬間化合物
C:\2D-CODE\90-H\90121632.ptd 543082 五、發明說明（5) 5說，有LixA1(X大於0,小於3)，LiSi(x大於〇,小於 屬:灰0 ’ /J'於25) ’就氧化物來說，有mxwo3(m ;驗金 】銀）或Η(氫）’X大於〇，小於n 鹼 ΧΛ^’ 小於1)M’ ；Tl(欽）、c〇(幻或 全屬° $乳奴化合物層間化合物來說，有MM’ X2 (Μ ;鹼 gf,U，r ：Tl'Z^^)^Nb(rt).Ta(i；)«〇. ’ S，）寻’雖然如此，卻以p(式*， 人 g、Au)、^VIa屬元素（〇、S、se、Te、Po)茅干之 化合物較佳，其中尤佳者r e Po)表不之 (“2S、Ag2Se、Cu S、Cu s 為 U 糾 ’ Y 為5 砂之情形 混合物。 1 2 6 更且，可為單體，亦可為其 g(7 :=導電性物質作成者作為對向第-電極之第-電β 別限制，雖一，卻以導電性金屬作以:物 右相對於圖2所示電子元件一 壓於第二電極，、、曰八道牛弟一電極，轭加適當負電 流之作用了，析：；一二肢内之可動離子14即在電壓和電 子）析出形成之*故必/电極11之表面。藉由可動離子（原 電極^接觸，;成長而變長’藉此，與對向之 至少一個離子：：係：：電極之混合導電體之原子中 成中性原子，自、曰人混合導電體内移動，依條件，變 極施加適當負電電體流出。亦即，若相對於第一電 變成可動離子：帛；；電極，構成混合導電體之原子即 朝弟一遠極之方向，於電極内移動，自電 C.\2D-CODE\90-1ι\90121632
Ptd 第9頁 543082 五、發明說明（6) 極跑出，形成電橋，雖如此，於此步驟中，。 中性原子狀態形成電橋。例如，此可動離子可$離子卻成 為上述XSY(XY與上述相同）情形下係乂，，在在混合導電體 Ag+，形成於電極間之電橋係原子X或銀原情形下係 書考慮此等情事，將可動離子及原子略記為 ^广: 子）。 g初雕于C原 又藉由使所施加電壓之極性變成相反，接 電壓和電流之作用下，變得更細，接觸切斷觸電橋15於 又，藉由控制此時電極間之電壓和電流， 電導量化之細線或點接觸之電 ，構包s使 電導。進一步利用此建；電橋控制電極間之 件。 ㈣之電導之控制’可製作電子元 以下固然舉實施例為例說明 限制本發明。 本^月准其亚非意圖用來 實施例1 首先，藉由氣相成長法制^ ^ 極 。本實施例使用白金作A此合‘電體AgsS結晶之電 板使用絕緣性材料。使:對向之導電性電極之材料，基 度，隧道電流流動於電極g電極間之間隔成為1納米程 使用如此製成之電子元 電極間，以50mV(毫伏）/广」施加電壓於AgJ電極與白金 此電極間之模樣。所施加^知掠電壓。圖3顯示建構電橋於 之電阻具有較大值，此^電，在V = 〇〜-0.3V左右，電極間 因在於，隨著電壓増力σ '祖隨著電壓增加逐漸減低。其原 ° ’ A§2S電極内之可動離子（原子）於
C:\2D-CODE\90-ll\9012l632.ptd Γ_ 第10 頁 州082 五、發明說明（？） 兒極之表面析出，電極間之距離變窄。# 一 · 3V左右，電阻值即急遽 ^電壓在 動銀離子f ® 2、> , , 眾因在於，拉i叮 極接觸，原）析出而形成之突起物與對向電柄 n ，形成電橋。電阻急遽降低後之V = 〜〇 之白金電 =之電：值慢慢減少。其原因在於，藉由可·3Υ 0.49v 變袓 步自Ag2S電極内部移重力出來，建構之、=子（原 又粗。 再之電橋逐漸 f次，圖4顯示使用與實施例丨相同之 建構之電橋切斷之模樣。於此，纟 凡件，將其所 性與電橋建構時相反。電, 艾換成，所施加電壓之極 阻慢慢增加。其^在；t 〇〜〇.2〇V左右，電橋之電 一點點移動，返回Ag2S電極，構成電橋之銀原子一點點， 遽增加之電阻經察在2v = 〇.2〇v’卢故^橋逐漸變細。並且，急 原因在於，電产祐去 工。此電阻之急遽增加之 亦即’藉由：化電；：極道”下流動。 電橋，相反土也，使建構 可使銀突起物伸長’建構 建構在施加於電極間之 橋文細，將其切斷。此電橋之 導電體電極内之可動銀離：二電流之作用了’使¥混合 銀金屬原子而析出，带夕動至其表面上，此後，變成 對向之白金電極接合/萨^起物。此突起物成長變長，與 使所施加電壓之極性相^ 1唁建構電橋。另一方面，藉由 返回A&S混合導電體電極，’ ^由構成電橋之銀原子移動， 發生。 ° ’電橋變細，從而促使電橋切斷 C:\2D-C0DE\90-ll\9012I632.ptd 第11頁 ^ 1化之細绩十_ 貝&例1之電子 4V丄 笑或點接艄+ + α 包卞7L件，建構 形成電橋，。.牧獨之電橋夕松w _ 再包含 …、0牧獨之雷择 故盔沬f〜 电&之模樣。由 ，'、、去穩定建構使 因此，本實施例、;:；疋建構使電導量化之:田二：例1急遽 突起物之成長=減小所施加電塵:;；f 點接觸 若持續施加，，丨形成電橋。 戍反進行i 數十分後建構電二=，v = -25mv於電極間， 圖5中橫軸之0二“電極間。圖5顯示電产建數分〜 *時間為5 =起點以形成電橋前不；模樣。 阻^、右形成電橋，隨著時^ &時間為0 ° 此時^二Λ阻減少之原因在於電橋隨^過時與門電極間之電 /如圖5中之*記號之箭 丨思者％間逐撕變粗。 -觸=於I;:電橋…Γ造 數十mV左右之弱電壓於電極間情形下’，所口不’即使在施加 可建構電橋。 / ，只要一點點時間即 本κ施例使用實施例3中形成電橋之 加電壓v=-25mV，而是施加相反極性，並非施 建構電橋之電極間，如此，在數分〜數ν:Λ+5· 斷。圖6顯示其模樣。圖6中橫軸時間文二刀後，電橋便切 不久之任意時間為°。與實卿相反，隨
極間之電阻緩慢增加。 橋Ik著時間逐漸變粗。 電橋即將切離時，電胆 造成電導量化之細線或 實施你 此電阻增加之原因在於，建構之電 如圖6之*記號之箭頭記璩所示，於 階段性增加，其顯示於電橋内包含 點接觸。 本貫施例藉由於带士 元件 間之帝道 m 万、免極間建構及/或切斷電橋，老 二；；建:= 使用如同實施例1準備之電-按〇 2 〇 v 辦，控制電壓及電流特性之模樣。 勁·^電流如圖式Φ这 。。， , 口 Λ中則碩之號碼所示，按21〜22 ^ 23 — 24 : 1G 0
;Υ未建構電橋之區域2丨中，一些電流在隧道效應下流 。於=域2 2中，建構電橋，進一步變化電橋之粗度，藉 此二電流顯著流動。於區域23中，電流沿建構之銀原子電 橋/;IL動。於區域2 4，由於建構之電橋變細、切斷，故電流 置急遽減少。並且，回到以區域2丨標示之隧道電流流過區 域0 藉由變化如此施加之電壓大小、極性，可進行電極間電
橋之建構、切斷，亦即，隨著此過程進行，可控制電極 之電導。 B "T利用具有此處所示’隨考電橋之建構和切斷可彳々制電 導之切換功能、使電流易於流向電流之一方向侧之功能之 電子元件。 & 實施例6
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圖8顯示使用如同實施例1車| 電橋之電導控制例子。丰備之電子元件，利用所建構 五、發明說明（ίο) 藉由施加於電極間之電壓 產生之電導之控制及其他電 橋建構時，可藉由減小或停 斷電橋而施加之電壓，防止 狀態下，藉由暫時施加適當 任意粗度，或使其變細。其 用下，本身有可動離子之銀 電極間。亦即，藉由此電橋 電導。 n =控制，可利用於所建構電橋 導控制。於實施例1〜4所示電 止施加為了於電極間建構或切 電橋進一步成長或變細。於此 電壓於電極間，使電橋成長達 原因在於，在電壓和電流之作 離子（原子）移動於電橋與Ag2s 粗度之控制，可控制電極間之
本實施例首先在建構诰成 旦 觸於電極間之後，藉由 f化之電橋、細線或點击 電橋之成長…“夺==壓減小為卜―，停止 單位值2eVh(e為基本旦間：電―阻具有相當於量化電導3 13kQ之電阻。為浦朗克常數）之倒數，約 橋成長變粗，電橋人之雷精阻由^加甘脈衝狀電壓（V =-漏）使 即，可使量化ΐΪΐΪ受成其1/2倍，約6.5kQ。亦 性相反之脱種-Ϊ Ϊ成為單位值之2倍。此後，藉由施加極
化之電導2 / /電壓（V = 25mV)使電橋變細，可恢復原來1 = 約咖之電阻。 控制於任意值施加電壓’可容易將電橋之量化電琴 電導之細電橋，亦段不僅可利用於量化，產生斷斷續穷 一般電導之押制亦利用於不產生量化效果之較粗電橋4
^43082 發明說明（π) ^又可製成利用此電導控制之種種電 知加控制成脈衝狀之電壓於形成泰 :任思電導之電橋。此後，施加電橋之電橋，變成 :.電流，讀出此電導值。此功能？不變之小電 :牛、開關元件。又，利用根據所施加；：：料之記憶 翁i: 、a丄。士 Ra 刀口也Μ夬丄 轭加時間變化所得電導，可製成 子 元件 例如 错由 變成具 壓大 壓)和易於通過電氣信號v電子元V::::(施加脈衝電 Zjt iHl , « 开^細神故元 脈衝次 件） 之混合導 同樣進行試驗。圖9顯示 • ^ 佩疋 原子構成之電橋之模樣。 ·”吃偁銀 混合導電體材電使極用，γ=替使用…作為實施例1之 建構銅原子構成之電柃=f試：。本實施例於電極間 於使用這些混人ϋ圖10顯示其模樣。 構電橋，雖未圖示=材料電極情形下’亦於電極間建 斷、電導之量化。由於=亡述實施例，觀察電橋之切 電極間距離異於實施、此等實施例所用混合導電體材料、 用電壓不同。 6，故電極間之電阻、電橋建構 '' 八 一 •一 •工％ 丁 藉由電橋之建構， 利用獲得階段性之值 甩極間之電導量化，可使用其作為 於通道穿透概率Γ τ . Λ之多重記憶體。例如，量化電導（G) + Ul)為1情形下，以 利用本發明除具 元件。 逆用途外’又可貫現以下種種電子 恤酬 C:\2D-C0DE\90.1l\90i2l632.ptd 第15頁 543082 五、發明說明（12) G二nx 2e2/h (η二 1，2，3··.) (式中’ e為基本電ϊ ’ h為浦朗克常數。）來表不。此η值 可例如依實施例之圖8所示，藉由施加適當電壓，獲得任 意值。由於使用此電橋之記憶器碟可以一位元記錄複數狀 態為η= 1，2，3 ...，故可顯著提高記錄密度。 又可使用本發明作為低消耗功率型器件。既存之記憶器 須為作動電壓在1 V以上，電流係毫安級之一器件（亦即1位 元之寫入、讀入）。利用本發明，即可如上述實施例所示） 以作動電壓在1 V以下，電流為微安級以下之低消耗功率作 動器件。亦即，可實現相當於1位元之作動電力在1 0_6 (瓦 特）以下之記憶器。 更且，如實施例1〜4 (圖3〜6)所示，隨著電極間電橋之 建構或切斷，電極間之電導變化數倍至1 06倍之程度。藉 由施加不會造成電導變化之小電壓，讀取此電導變化，可 容易讀取器件之開關處於斷開狀態或接通狀態。藉由配置 多數個具有此切換功能之器件，可建構使用電腦之AND (及）、OR (或）邏輯閘、記憶器功能之電子電路。 元件編號之說明 11 第一電極 12 電極 13 基板 14 可動離子 15 電橋 21 〜24 區域
C:\2D-C0DE\90-ll\90121632.ptd 第16頁 圖 式簡單說明 圖1係顯-。 ^ 細 線、點接：白知使用壓電元件，建構金屬針 圖2係二觸之方法之圖。 -屬針之電橋、一 用此方法二本喪明建構電橋、細線、點接觸之 圖3係_、電子兀件具體例之圖。 彳法和使 電極間之七不使用峠23作為混合導電體材料，涂棋+ 圖4传？樣之圖。 才”構電橋於 圖5係匕= : = 電橋-模樣之圖。 圖6係，示一面保有；化二之：f之模樣之圖。 圖。 ,里化電¥一面切斷電橋之模樣之 圖7 ^(李盈g 之模#；；示隨著電橋之建構及切斷控制電题为Φ ά 心犋I之圖。 彳电&及電流變化 圖8係3g ~ 回n 〃 ”、、、不利用電導之控制例子之圖。 圚9係Ss -. 雷朽π項不使用Ag2Se作為混合導電體材料，建槿雷咏认 電極間之模樣之圖。 建構電橋於 Θ 1 〇係顯示使用c g作為混合導電體材料， 電極間之模樣之圖。 建構電橋於
c：\2D-CODE\9〇.11\9〇121632.ptd

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  1. 人 543082 、申請專利範圍 】· 一種電子元件，其係包含： 由具有離子傳導性及電子傳導性 之弟一電極；以及 作匕 物質形成之第二電極構成； /、可控制電極間之電導。 2. 如申請專利範圍第丨項之電子 導電體材料係Ag2S、Ag2Se、Cu ^， 3. 如申請專利範圍第}項之“ _ u: e 間距離在1 Ο 0 n m以下。 兀 4·如申請專利範圍第2項之 間距離在1〇〇ηπι以下。 卞凡件， 5. 如申請專利範圍第1 在10_5W以下。 、义私子兀件， 6. 如申請專利範圍第4 在10-5W以下。 、艾冤子tl件， 7·如申請專利範圍第丨項 以下之電壓及50 以下之件， 8 ·如申請專利範圍第6項之 以下之電壓及50 以下之子凡件， 9·如中請專利範圍第1項二=二一 於前述電極間，俾相對於二私子tl件， 負，並使可動離子自前述^第—電極 藉此，形成電橋於前述f 一電極朝第 10.如申請專利範圍第 項之電子元件 I C:\2D-CODE\90·]1\90121632.Ptd 第18頁 導電體材料形成 其中，前述混合 其中，前述電極 其中，前述電極 其中，消耗功率 其中，消耗功率 其中，使用0. 5V 其中’使用0. 5V 其中，施加電壓 ’使第二電極為 二電極方向移動， 其中，施加電壓 te 543082 六、申請專利範圍 於前述電極間，俾相對於前述第一電極，使第二電極為 負，並使可動離子自前述第一電極朝第二電極方向移動 藉此，形成電橋於前述電極間。 1 1.如申請專利範圍第1項之電子元件， 間之電導被量化。 1 2.如申請專利範圍第2項之電子元件， 間之電導被量化。 1 3.如申請專利範圍第9項之電子元件， 間之電導被量化。 1 4.如申請專利範圍第1 0項之電子元件 極間之電導被量化。 1 5.如申請專利範圍第1 1項之電子元件 導（G)以 2e2 其中，前述電極 其中，前述電極 其中，前述電極 其中，前述電 其中，前述電 G ,Σ Τι h i=i (式中，e係基本電量，h係蒲朗克常數，T i係有助於電導 之第i通道穿透概率。）來表示。 1 6.如申請專利範圍第1 4項之電子元件，其中，前述電 導（G)以 2e2 G hi， (式中，e係基本電量，h係蒲朗克常數，T i係有助於電導 之第i通道穿透概率。）來表示。 1 7. —種電極間電導之控制方法，其係包括以下二步驟
    C:\2D-CODE\90-ll\90121632.ptd 第19頁 543082 t、申請專利範圍 中至少一步驟： 施加電壓於前述電極間，俾相對於申請專利範圍第1至 1 6項中任一項之電子元件之第一電極，使第二電極為負， 並使可動離子自前述第一電極朝第二電極方向移動，藉 此，形成電橋於前述電極間之步驟；以及 藉由使前述電極間之電壓極性相反，使前述電橋變細或 將其切斷之步驟。 其中，前述電極間 其中，前述電導（G) 1 8.如申請專利範圍第1 7項之方法 之電導被量化。 1 9.如申請專利範圍第1 8項之方法 以 G 2e2 N Σ Ti η i-i (式中，e係基本電量，h係蒲朗克常數，T i係有助於電導 之第i通道穿透概率）來表示。 其中，藉由施加脈 其中，藉由施加脈 其中，藉由施加脈 2 0 .如申請專利範圍第1 7項之方法 衝狀電壓於前述電極間以控制電導。 2 1.如申請專利範圍第1 8項之方法 衝狀電壓於前述電極間以控制電導c 2 2.如申請專利範圍第1 9項之方法 衝狀電壓於前述電極間以控制電導c
    C:\2D-CODE\90-ll\90121632.ptd 第20頁
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