王彦彬 刘倩 王勇 代波 魏贤华

(西南科技大学, 环境友好能源材料国家重点实验室, 绵阳 621010)

1 引 言

在四种基本的无源元件中, 电容器和忆阻器具有相同的金属/绝缘体/金属(metal/insulator/metal,MIM)三明治结构[1].其中电介质电容器由于具有非常高的功率密度和超快的充放电速率而受到广泛关注, 但是其能量存储密度还无法和其他储能技术(电池、电化学超级电容器等)竞争[2].电介质电容器能量密度(J)的计算公式为:其中ε0,εr和Eb分别为真空介电常数、相对介电常数和击穿电场, 要提高其能量密度, 需要器件具有高的Eb[3-5].忆阻器的阻变是需要电介质薄膜在限制电流保护下的软击穿过程(电形成(electroforming)或置位(set)过程)触发并随后展示反复的电阻状态变化[6-8], 为了降低器件功耗, 通常需要低的操作电压[9-11].因此, MIM 结构器件的应用场景在很大程度上依赖于击穿强度的大小.图1 显示了MIM 结构器件用于阻变和能量存储的工作原理以及各自器件合适的工作电压.前者通过外加偏压下导电细丝的形成和破裂来实现电阻的转变, 需要低的操作电压以降低其功耗; 后者则通过外加电场使介质材料中的电荷分离和排列而产生的电位移(或极化)以静电场的形式存储能量, 需要大的操作电压以提高其储能密度.

图1 MIM 器件用于阻变及储能电容器时的机理图以及对工作电压的要求Fig.1.Schematic diagram of the MIM devices for resistive switching and energy storage with different operation voltages.

介质材料的击穿机制主要有三类(本征击穿、电机械击穿和热击穿), 符合本征击穿时击穿强度和介电常数有……