Electrochemical dynamics of nanoscale metallic inclusions in dielectrics

材料科学 纳米技术 电介质 成核 纳米尺度 电阻随机存取存储器 化学物理 纳米颗粒 光电子学 电极 化学 物理化学 有机化学
作者
Yuchao Yang,Yujie Feng,Linze Li,Xiaoqing Pan,Stefan Tappertzhofen,Shinhyun Choi,Rainer Waser,Ilia Valov,Wei Lu
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:5 (1) 被引量:421
标识
DOI:10.1038/ncomms5232
摘要

Nanoscale metal inclusions in or on solid-state dielectrics are an integral part of modern electrocatalysis, optoelectronics, capacitors, metamaterials and memory devices. The properties of these composite systems strongly depend on the size, dispersion of the inclusions and their chemical stability, and are usually considered constant. Here we demonstrate that nanoscale inclusions (for example, clusters) in dielectrics dynamically change their shape, size and position upon applied electric field. Through systematic in situ transmission electron microscopy studies, we show that fundamental electrochemical processes can lead to universally observed nucleation and growth of metal clusters, even for inert metals like platinum. The clusters exhibit diverse dynamic behaviours governed by kinetic factors including ion mobility and redox rates, leading to different filament growth modes and structures in memristive devices. These findings reveal the microscopic origin behind resistive switching, and also provide general guidance for the design of novel devices involving electronics and ionics.

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