В пост-муровскую эпоху традиционные кремниевые полупроводники постепенно приближаются к физическому пределу масштабирования, и поиск высокоскоростных, маломощных электронных устройств нового поколения стал ядром передовых исследований. Двумерные полупроводники благодаря своей атомарной толщине и выдающейся способности электростатического контроля открывают новые пути для наноэлектроники и нейроморфных систем. Среди них оксиселенид висмута (Bi₂O₂Se) сочетает высокую подвижность носителей и отличную экологическую стабильность. Его кристалл образован чередующимися слоями положительно заряженных слоёв Bi₂O₂ и отрицательно заряженных слоёв Se. Такая уникальная слоистая анизотропная структура обуславливает кардинально различные электронные транспортные и резистивно-переключающие свойства в плоскости и по нормали, что открывает широкие перспективы для применения в нейроморфных вычислениях и высокоплотных запоминающих устройствах.

Однако эта область по-прежнему сталкивается с серьёзной проблемой — невозможностью точного раскрытия микроскопических механизмов на атомном уровне. Ионная миграция является ключевым процессом, управляющим резистивным переключением, но остаётся неясным, как кристаллическая анизотропия регулирует пути миграции ионов, энергетические барьеры и механизмы фазовых переходов. Поскольку ионная миграция обычно происходит в нанометровых или даже субатомных областях, а процесс крайне транзиторен и локализован, сопровождаясь сложной реконструкцией дефектов и эволюцией промежуточных фаз, это предъявляет чрезвычайно высокие требования к пространственно-временному разрешению методов характеризации. Как достичь атомарной точности в реальном времени при визуализации и электрических измерениях под действием in-situ смещения, чтобы раскрыть природу анизотропной ионной миграции, — это ключевое узкое место, которое в настоящее время сдерживает рациональное проектирование инженерии направленности двумерных резистивно-переключающих устройств.

Для решения上述问题，由华东师范大学、北京大学等组成的团队利用ZEPTOOLS的原位TEM测量系统进行了系统研究，团队通过将原位电学偏压与球差校正透射电镜实时成像相结合并辅以第一性原理计算，首次在原子尺度揭示了二维Bi₂O₂Se纳米器件中各向异性离子迁移驱动阻变与相变的微观机制，为方向工程化二维神经形态器件与高密度存储器的理性设计奠定了坚实基础。

Название:Atomic-scale mechanism of anisotropic ion migration in 2D Bi₂O₂Se nanodevices
Журнал:Nature Communications
URL:https://doi.org/10.1038/s41467-026-75431-9

В области изготовления устройств и создания архитектуры in-situ наблюдения исследовательская группа использовала технологию фокусированного ионного пучка для микро- и нанообработки, чтобы точно изготовить вертикальные (внеплоскостные) и планарные (внутриплоскостные) наноустройства Bi₂O₂Se с заданной кристаллографической ориентацией, создав тем самым чётко направленную анизотропную электрическую тестовую модель. Для захвата динамической эволюции устройства под действием электрического поля в реальном времени на атомном уровне группа использовала in-situ держатель образца для просвечивающей электронной микроскопии от ZEPTOOLS, установив стабильный электрический контакт между зондами и наноустройством. Этот in-situ держатель образца позволял точно прикладывать постоянное смещение внутри просвечивающего электронного микроскопа и в реальном времени записывать вольт-амперные характеристики, одновременно обеспечивая высокоразрешающую визуализацию и динамический мониторинг электрических сигналов. Стабильное приложение напряжения и высокочувствительные электрические измерения, обеспечиваемые in-situ держателем ZEPTOOLS, позволили установить прямую причинно-следственную связь между скачкообразными изменениями или непрерывной модуляцией макроскопических электрических свойств и фазовыми переходами на атомном уровне в реальном времени.

Под действием вертикального (внеплоскостного) электрического поля группа раскрыла микроскопический механизм крутого порогового резистивного переключения и связанного с ним локализованного фазового перехода. При подаче прямого смещения на вертикальное устройство Bi₂O₂Se ионы кислорода и селена мигрируют вверх под действием электрического поля, образуя упорядоченную дефектную фазу D-Bi₂O₂Se вблизи интерфейса. Высокоразрешающая визуализация и анализ атомной интенсивности показали, что ионы селена занимают позиции кислородных вакансий, создавая обратимые проводящие каналы; при подаче обратного смещения ионы селена возвращаются на исходные позиции, вызывая постепенное исчезновение дефектной фазы и восстановление исходной кристаллической структуры. В более толстых устройствах фазовый переход, вызванный миграцией анионов, также приводит к формированию трёхфазной прослойки Bi/BiOSe₂/Bi₂O₂Se с интерфейсами типа «сэндвич», демонстрирующей реконструкцию структуры по типу «молнии». Такой высоколокализованный путь ионной миграции придаёт вертикальным устройствам высокую стабильность и крутое соотношение переключения, что делает их очень подходящими для высокоплотной цифровой памяти.

Под действием внутриплоскостного электрического поля группа выяснила микроскопический механизм непрерывной модуляции проводимости и соответствующую топотактическую последовательность фазовых переходов. При подаче внутриплоскостного смещения, поскольку энергетический барьер миграции ионов кислорода в плоскости значительно ниже, чем для ионов селена, ионы кислорода сначала быстро извлекаются, образуя кислородные вакансии, что затем запускает дальнодействующую диффузию ионов селена и кислорода вдоль направления поля. По мере продолжения действия поля материал эволюционирует вдоль внутриплоскостного направления в многофазный гетеропереход Bi/Bi₄₊₂ₙSe₃/Bi₂O₂Se, где фазы Bi₄₊₂ₙSe₃ (n=0, 1, 2) через периодическое внедрение различного числа слоёв висмута создают непрерывно изменяющийся градиент концентрации селена. Такой постепенный топотактический фазовый переход позволяет избежать резких скачков тока и обеспечивает непрерывную линейную регулировку проводимости, что делает планарные устройства идеальными для моделирования обновления весов искусственных синапсов и применимыми для нейроморфных вычислений.

Объединив расчёты из первых принципов с результатами in-situ ПЭМ наблюдений, группа дополнительно обобщила с физической точки зрения общие закономерности регулирования энергетических барьеров ионной миграции и режимов резистивного переключения за счёт кристаллической анизотропии. Расчёты в рамках теории функционала плотности показали, что из-за эффектов электростатической блокировки между слоями и стерических препятствий энергетические барьеры миграции ионов кислорода и селена по нормали составляют 3,295 эВ и 3,432 эВ соответственно, тогда как внутриплоскостные барьеры снижаются до 0,945 эВ и 1,524 эВ соответственно. Высокие внеплоскостные барьеры вынуждают анионы мигрировать кооперативно только по локализованным вертикальным каналам, формируя обратимую фазу D-Bi₂O₂Se, что определяет крутое цифровое переключение устройств. Низкие внутриплоскостные барьеры и значительная разница в энергетических барьерах ионов способствуют преимущественному извлечению ионов кислорода и дальнодействующему топотактическому фазовому переходу, что определяет непрерывное аналоговое синаптическое поведение устройств. Это исследование раскрывает ориентационно-зависимые закономерности ионной миграции и фазовых переходов, предоставляя прочную физическую основу для рационального проектирования многофункциональных нейроморфных систем и архитектур высокоплотной памяти на основе двумерных анизотропных полупроводников.

ZEPTOOLS, как китайская компания по производству высокоточного аналитического оборудования, является ведущим поставщиком решений для in-situ характеризации в просвечивающей электронной микроскопии. Серия решений для in-situ ПЭМ характеризации PicoFemto обеспечила техническую поддержку для множества значимых результатов исследований как отечественных, так и зарубежных пользователей. Ниже представлен продукт — in-situ держатель образца для ПЭМ от ZEPTOOLS, использованный в данном исследовании: