要点

通过铂（Pt）的催化作用和施加电压，向强关联稀土镍基钙钛矿氧化物中掺杂大量的质子（氢离子），实现巨大电阻的调制。
证明可以通过电场来控制决定电阻调制度的镍氧化物中的质子掺杂量和行为。
可以通过电和离子来控制陶瓷材料的电子特性，并且可能开发出功能超越现有功能极限的离子电子器件。

1、概要

由AIpatent认证专家库成员（欲知详情可联络support@aipatent.com）等人组成的研究小组与相关领域科研人员展开合作，共同制作了以作为新型设备的候补材料而备受关注的强关联氧化钕镍NdNiO₃薄膜为通道的二端子电场驱动型质子寄存器，并阐明了与质子电场扩散相关的巨大电阻调制生成机理。

该研究小组通过创建一种具有非对称电极的装置结构，即，在正极电极上使用具有催化效果的铂，而在负极电极上使用金，推导出一种方法，其能够控制在气体状态下难以控制反应位置的氢和氧化物之间的反应，且能够系统控制质子掺杂量。通过以上成果，可以制作一种新型“氧化物质子”装置，通过质子（极轻且小的离子）来控制强关联电子特性，且通过超越传统极限的电场实现巨大的物理性能控制。

众所周知，根据金属-绝缘体相变，强关联稀土镍基钙钛矿氧化物（ReNiO₃）的电导率会发生很大变化，其是从基础和应用两方面都备受关注的材料。

该材料显示出普通材料所不具有的特性，即通过掺杂质子，电阻会急剧增加。由于离子在物质中可灵活移动，因此，如果开发出可以自由操纵离子的设备，则有望实现具有超越现有电子设备极限的功能。但是，由于离子移动灵活，因此难以控制离子反应，而且，尚未阐明固体中的离子掺杂量以及确定固体中的离子行为的机理。

该研究小组为了控制质子的导入和反应的进行，通过制作不对称电极二端子装置（图1），成功推导出质子和镍氧化物之间的反应位置，然后利用电场对质子的行为进行控制，从而成功阐明了质子行为与电阻调制功能之间的关系（图2）。

极轻且小的质子具有很高的化学反应性和非常大的可动性。灵活控制质子与强关联金属氧化物之间的反应，是使巨大室温响应、高速且微小能量下的运行成为可能的理想化离子电子设备的关键。

图1：氧化钕镍（NdNiO₃）的非对称二端子电场驱动型质子调制薄膜器件结构。

将具有催化效果的Pt电极设置在正极，不与氢气反应的Au电极设置在负极，通过电场可以人工控制NdNiO₃薄膜中质子诱导的相变反应的路径。

图2：所阐明的质子行为与器件的电阻调制功能之间的关系（右图）。

通过开发非对称二端子电场驱动型质子调制器件结构（左上图），推导出质子与氧化镍钕之间的反应位置，阐明了取决于电场和温度的质子反应机理（左下图），并推导出可以自由控制NdNiO₃的电阻调制度的方法。

2、研究背景

目前，各国正在积极制造使用相变的超大开关和能够超高速运行的器件，在最新的国际器件与系统路线图（IRDS）中，beyond CMOS器件也备受期待。此外，不仅是传统的电子控制，强关联离子的新尝试也已开始，即通过利用强关联金属氧化物和离子之间的化学反应来利用巨大调制。与静电门控相比，离子掺杂通过引入大量的载流子，可能具有巨大的调制动作，但是由于离子和强关联金属氧化物引起的化学反应的控制、以及器件工作原理的理解尚不充分，因此器件难以得到控制。

通过金属-绝缘体相变，氧化钕镍（NdNiO₃）的电导率变化超过100倍，因此有大量研究将该特性引入器件。在上述IRDS中，氧化钕镍也被视为新一代功能材料之一。最近的研究发现，通过质子掺杂，强关联稀土镍基钙钛矿氧化物的电阻在室温下也能够增加多达八个数量级，因此，强关联稀土镍基钙钛矿氧化物作为质子学（通过氢离子移动来运行）装置的潜力备受关注。但是，极轻且小的氢离子在固体中的行为尚未阐明，因此其控制方法也几乎未被开发。

3、研究意义

由于强关联金属氧化物的电阻随相变而急剧变化10³到10⁵倍，因此研究人员正在积极进行研究以将其控制为电子设备，从而实现新一代器件的制造。但是，需要许多载流子（10²²cm^-3）来改变强关联电子顺序，并引起金属-绝缘体相变，在利用当前主流的通用介电栅极的电场效应中，可以实现的调制非常小，并且无法提取材料的电势。

因此，该研究小组通过使用具有强还原能力的质子，实现了超越电子控制极限的巨大电阻调制，并找到了其控制方法。通过有效利用极轻且小的氢离子（质子），有望产生过去无法实现的巨大连锁效应，例如，表现出普通电子控制无法实现的巨大电阻调制（~10⁸）的新型电子设备、通过从黑色到无色透明的电子结构显著重组得到的高性能调光器件和电磁超材料等新型光电器件的开发。

4、术语解释

质子掺杂：

掺杂是通过添加少量杂质以改变物理性质，从而改变半导体领域中载流子浓度的重要技术。此次，该研究小组通过选择质子作为杂质并进行质子掺杂，成功调制了NdNiO₃的电阻。

强关联氧化物：

一种主要由3d过渡金属组成的金属氧化物，在物质中的电子之间具有很强的有效库仑相互作用。电子·自旋·轨道的有序状态会在轻微的扰动（温度、磁场、载流子浓度）下被打乱，并引起相变。伴随相变，在电气、磁性、光学方面均表现出急剧变化的物质群。

强关联稀土镍基钙钛矿氧化物（ReNiO₃）：

一种强关联电子材料，是具有钙钛矿结构的稀土镍氧化物的总称。具有在Ni离子和O离子构成的八面体NiO₆的间隙中容纳三价稀土离子Re³⁺（Re=La、Pr、Nd、Sm、Eu等）的结构。根据稀土离子种类的不同，其电气性能从复杂的带电状态变为金属-绝缘体。

金属-绝缘体相变：

正如水会随温度降低变成冰一样，即使是同一物质，其相也可以从金属变为绝缘体。这主要是由温度变化引起的。NdNiO₃的金属-绝缘体相变发生在123K处。

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