多阻态存储器件已逐渐成为实现高性能和高能效神经形态计算的重要电子元器件。在诸多材料和调控机制的探索中，电场控制离子演化策略的发展，为多阻态存储提供了有效途径；而过渡金属氧化物，因其离子演化与电荷及晶格等自由度间的强相关性，则为该类器件奠定了重要材料基础。离子迁移诱导的阻变行为模拟了生物神经系统中信号传递的物理原理，显示出良好的调控速度、能耗和稳定性。目前，基于过渡金属氧化物的高性能人工突触多阻态器件成为研究的重点，然而该类功能器件的应用仍面临着电子器件小型化、集成化的挑战。

图：纳米尺度的氢离子演化及多阻态调控。a.扫描探针针尖诱导材料实现氢化的示意图。b.利用探针诱导的氢离子调控，实现了薄膜中局域电导的可逆操控。c.多阻态的连续写入和擦除。d.探针诱导的局域电导精确操控及可视化读出。

       2022年，于浦课题组利用扫描探针显微镜技术，使用具有催化作用的铂镀层纳米探针，在氢气氛围下实现了VO₂薄膜的纳米尺度可控氢化（Nature Materials , 2, 1246 (2022)），揭示了纳米精度操控离子演化的新途径。然而，该研究需升高温度以促进离子的有效注入，从而无法满足实际应用对室温工作条件的普遍要求。近日，该研究组将针尖注氢技术应用于三氧化钨（WO₃）薄膜的离子调控研究，展示了室温下针尖诱导的纳米尺度多阻态调控方案；即利用扫描探针针尖诱导的析氢效应（Spillover effect）向WO₃薄膜中注入或抽出氢离子，以此驱动可逆的绝缘体-金属相变。该研究中，具有Pt 镀层的扫描探针针尖可作为一种高效、可控的催化剂，使得来源于氢气环境的氢分子在纳米尺度的针尖和WO₃薄膜表面的接触界面处裂解成离子，并通过电场作用注入薄膜内。WO₃的这一氢化过程同时诱发了材料中电子掺杂，进而材料的电阻态可被精准、连续地操控。更重要的是，负的偏压可以驱动相应的脱氢过程，将样品从金属态逐渐恢复到绝缘态。实验中，通过对氢离子计量的控制，氧化钨薄膜可被精准调控至多个中间阻态。连续多次写入和擦除过程可实现样品在多电阻态间的切换，并在可重复性、一致性、可重复性等测试中表现优良。以上结果显示出针尖诱导的析氢操控技术在纳米尺度忆阻存储器研究中的良好前景；同时，这一室温下实现的小电压注氢技术亦可应用到众多材料体系，有望发展成一种通用的纳米尺度离子注入技术实现材料功能的修饰或调控。

       该工作以“Nanoscale multistate resistive switching in WO₃ through scanning probe induced proton evolution”为题发表在Nature Communications。清华大学物理系于浦教授为文章通讯作者，水木学者张帆博士（现北京邮电大学特聘副研究员）为第一作者。该工作得到了科技部重点研发计划、北京市自然科学基金、国家自然科学基金的资助，也受到了清华大学低维量子物理国家重点实验室、清华大学量子信息前沿科学中心、北京未来芯片技术高精尖创新中心和北京电子显微镜中心等的支持。

       全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39687-9