We describe a nanometer-scale switch that uses a copper sulfide film and demonstrate its performance. The switch consists of a copper sulfide film, which is a chalcogenide semiconductor, sandwiched between copper and metal electrodes. Applying a positive or negative voltage to the metal electrode can repeatedly switch its conductance in under 100 μs. Each state can persist without a power supply for months, demonstrating the feasibility of nonvolatile memory with its nanometer scale. While biasing voltages, copper ions can migrate in copper sulfide film and can play an important role in switching.

Although progress in nanotechnology is anticipated to stimulate the development of innovative materials, the areas of nanotechnology and materials science are somehow separated with little common ground in current technologies. Nanotechnology has some analytical aspects that are beneficial mainly to the nanoscopic sciences at the atom or molecular levels. Experience of these advanced techniques has only been applied in synthetic approaches to macroscopic materials in rather immature level. Forming nanomaterials into hierarchic and organized structures is a rational way of preparing advanced functional materials. Recently, one of us coined the term materials’ nanoarchitectonics to express this innovation. This review focuses on recent research to develop functional materials by forming nanomaterials into organized structures, especially in well-ordered layered structural motifs. This layered nanoarchitectonics can be achieved by using the versatile technology of layer-by-layer assembly. Reassembly of bulk materials into novel layered structures through layered nanoarchitectonics has created many innovative functional materials in a wide variety of fields as can be seen in ferromagnetic nanosheets, sensors, flame-retardant coatings, transparent conductors, electrodes and transistors, walking devices, drug release surfaces, targeting drug carriers and cell culturing. The properties of a material depend on its architecture — this is perhaps best exemplified by the dramatically different behaviours of graphite, graphene and carbon nanotubes. With the advent of nanotechnology, arranging materials into specific, organized structures at the nanoscale has become increasingly important. This issue is discussed here by Katsuhiko Ariga and co-workers, who emphasize the versatility of the layer-by-layer technique. Sheets are first separated from the bulk and assembled differently, sometimes with other components. They can be layered on substrates through electrostatic interactions but also covalent, coordination or hydrogen bonds, and the layer-by-layer procedure can also be carried out in different ways, such as dipping, spin coating or spraying. All of this enables the formation of structures with a wide variety of morphologies, properties and applications, including in the biomedical field. Forming nanomaterials into hierarchic and organized structures is a rational way of preparing advanced functional materials. The term nanoarchitectonics can express this innovation. This review focuses on recent researches to develop functional materials by forming nanomaterials into organized structures, especially in well-ordered layered structural motifs. This layered nanoarchitectonics can be achieved by using the versatile technology of layer-by-layer assembly. Reassembly of bulk materials into novel layered structures through layered nanoarchitectonics has created many innovative functional materials in a wide variety of fields as can be seen in ferromagnetic nanosheets, sensors, flame-retardant coatings, transparent conductors, electrodes and transistors, walking devices, drug release surfaces, targeting drug carriers and cell culturing.

Accurate valence-band dispersions $E(\stackrel{\ensuremath{\rightarrow}}{\mathrm{k}})$ along the major symmetry directions $\ensuremath{\Gamma}\ensuremath{-}K\ensuremath{-}X$, $\ensuremath{\Gamma}\ensuremath{-}\ensuremath{\Delta}\ensuremath{-}X$, and $\ensuremath{\Gamma}\ensuremath{-}\ensuremath{\Lambda}\ensuremath{-}L$ have been determined for GaAs using simple angle-resolved photoemission techniques of general utility with synchrotron radiation for $25\ensuremath{\le}h\ensuremath{\nu}\ensuremath{\le}100$ eV. At these photon energies, emission features can be understood within the direct-transition model, and spectral peaks can be classified roughly into two categories: one being those associated with primary cone emission with a lifetime-broadened free-electron-like final-state dispersion, and the other (usually weaker) being those associated with secondary cone-surface umklapp emission which emphasizes valence-band critical points with high state densities. Valence-band dispersions $E(\stackrel{\ensuremath{\rightarrow}}{\mathrm{k}})$ along the $\ensuremath{\Gamma}\ensuremath{-}K\ensuremath{-}X$ symmetry line perpendicular to the surface are determined using normal-emission spectra (primary cone peaks) from the (110) surface at various photon energies. Valence-band dispersions $E(\stackrel{\ensuremath{\rightarrow}}{\mathrm{k}})$ along $\ensuremath{\Gamma}\ensuremath{-}K\ensuremath{-}X$, $\ensuremath{\Gamma}\ensuremath{-}\ensuremath{\Delta}\ensuremath{-}X$, and $\ensuremath{\Gamma}\ensuremath{-}\ensuremath{\Lambda}\ensuremath{-}L$ symmetry lines parallel to the surface are determined using off-normal emission spectra (primary cone peaks) from the same (110) surface with fixed perpendicular component of the electron momentum $\ensuremath{\hbar}{\stackrel{\ensuremath{\rightarrow}}{\mathrm{k}}}_{\ensuremath{\perp}}$ at a zone center (extended-zone scheme) and varying parallel component of the electron momentum $\ensuremath{\hbar}{\stackrel{\ensuremath{\rightarrow}}{\mathrm{k}}}_{\ensuremath{\parallel}}$, which are obtained by suitably varying $h\ensuremath{\nu}$ and emission angles. Experimental valence-band dispersions and critical points are compared with other theoretical and experimental results. Simple formulas are derived to relate the widths of spectral peaks to electron and hole lifetimes. Initial hole lifetimes at valence critical points and typical final electron lifetimes are obtained. The latter yields final-state momentum broadenings (typically \ensuremath{\lesssim} 10% of the Brillouin-zone size) which are consistent with the direct-transition model.

ZnO nanowire photodetectors with and without Au nanoparticles have been fabricated and investigated. The dark current decreases by 2 orders of magnitude and the ratio of photo current to dark current increases after covering with Au nanoparticles. Meanwhile, the decorated Au nanoparticles can drastically improve the response speed of ZnO nanowire photodetectors. A physical model based on band energy theory was developed to illustrate the origin of the improvement of performance for ZnO nanowire photodetector attached with Au. Our work suggests that rational integration of ZnO wire and metal nanoparticles is a viable approach to improving the performance of ZnO nanowire photodetectors, which may help to advance optoelectronic devices.

Learning abilities are demonstrated using a single solid-state atomic switch, wherein the formation and dissolution of a metal filament are controlled depending on the history of prior switching events. The strength of the memorization level gradually increases when the number of input signals is increased. Once the filament forms a bridge, electrons flow in a ballistic mode and long-term memorization is achieved (see figure). Detailed facts of importance to specialist readers are published as ”Supporting Information”. Such documents are peer-reviewed, but not copy-edited or typeset. They are made available as submitted by the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

We report detailed current–voltage and current–time measurements to reveal the forming and switching behaviors of Cu/Ta2O5/Pt nonvolatile resistive memory devices. The devices can be initially SET (from the OFF state to the ON state) when a low positive bias voltage is applied to the Cu electrode. This first SET operation corresponds to the first formation of a metal filament by inhomogeneous nucleation and subsequent growth of Cu on the Pt electrode, based on the migration of Cu ions in the stable Ta2O5 matrix. After the forming, the device exhibits bipolar switching behavior (SET at positive bias and RESET (from the ON state to the OFF state) at negative bias) with increasing the ON resistance from a few hundred Ω to a few kΩ. From the measurements of the temperature stability of the ON states, we concluded that the RESET process consists of the Joule-heating-assisted oxidation of Cu atoms at the thinnest part of the metal filament followed by diffusion and drift of the Cu ions under their own concentration gradient and the applied electric field, disconnecting the metal filament. With ON resistances of the order of a few kΩ, the SET and RESET operations are repeated by the inhomogeneous nucleation and the Joule-heating-assisted dissolution of a small filament on a remaining filament. This switching model is applicable to the operation of cation-migration-based resistive memories using other oxide materials.

A paradigm shift from nanotechnology to nanoarchitectonics has been proposed.