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ZnO和BN基薄膜的电致阻变性能

发布时间:2020-09-08 16:56
   阻变存储器具有结构简单,单元尺寸小,存储密度高,保持性好等优点,使其有望成为下一代主流存储器。寻找合适的电致阻变材料,优化电致阻变性能,并对其相关机制进行研究一直是人们关注的热点。本文以ZnO和BN材料为对象,采用磁控溅射方法制备了一系列ZnO和BN基薄膜,系统研究了掺杂和电极对其电致阻变特性的影响。(1)设计并制备了不同金属纳米颗粒(TM=Mn、Cu、Co)掺杂ZnO薄膜作为阻变介质层的Pt/ZnO-TM/Au样品,研究它们电致阻变性能的异同。结果表明,不同金属的掺杂对ZnO薄膜的电致阻变性能有很大的影响。由于金属Mn、Cu和Co与ZnO之间功函数差值的不同,导致了电子需要填充势阱高度不同,因此其电致阻变效应的操作电压不同,低阻态下ZnO-Cu样品呈金属特性,说明其电致阻变与Cu导电丝的形成有关,而低阻态下ZnO-Co和ZnO-Mn样品呈半导体特性,说明其电致阻变可能与金属导电丝的形成无关;为了进一步探究其中的机制,我们设计并制备了以Co为顶、底电极的Co/ZnO/Co样品,测试了在逐渐施加电压使样品从高阻态转变为低阻态过程中,样品的导电性、磁性和磁电阻效应的变化。结果表明,样品一直显示半导体特性,高阻态的饱和磁化强度大于低阻态的饱和磁化强度,而且没有观察到磁电阻效应的产生。该现象进一步说明在电致阻变过程中铁磁性的Co原子没有明显迁移,而是氧离子迁移引起的氧空位的积累导致了电致阻变效应的产生。(2)设计并制备了不同BN层厚度的Pt/BN/Au样品,并在固定BN薄膜厚度的情况下,沉积不同金属(Cu、Co、Au)作为顶电极的样品。结果表明,BN样品呈双极性电致阻变行为,其操作电压随着厚度的增大而增大;除了BN层厚度,BN薄膜的电致阻变性能还与电极材料的功函数、电负性等内禀属性密切相关;与此同时,设计了Co金属纳米颗粒掺杂BN薄膜作为阻变介质层的Pt/BN-Co/Au样品。与BN薄膜相比,BN-Co薄膜的操作电压显著减小,这可能是由于BN-Co薄膜中的Co纳米颗粒的存在降低了样品的初始电阻、增强Co颗粒周围的局域电场、从而降低了导电丝生成的随机性,降低了器件的能耗。通过分析Pt/BN/Co样品的X射线光电子能谱,比较高、低阻态下Pt/BN/Co和Pt/BN-Co/Au样品的磁性变化,我们发现,BN基薄膜中电致阻变效应的产生很可能与N离子迁移导致的N空位的积累有关。总之,本文设计并制备了以纯ZnO、BN薄膜以及掺杂不同金属颗粒的ZnO、BN薄膜为介质层,以各种金属为电极的电致阻变器件,研究了它们的微结构、电致阻变性质和磁性,探究了相关机制。结果表明,活泼的Cu金属不论作为掺杂元素还是电极,ZnO和BN基样品中电致阻变效应的产生都与Cu导电丝的形成有关;Co、Mn、Au等金属不论作为掺杂元素还是电极都不太容易迁移,ZnO和BN基样品中电致阻变效应的产生均分别与氧离子和氮离子迁移导致的氧空位、氮空位的积累有关;Co金属的铁磁性使其不论作为电极还是介质层的掺杂元素,样品的饱和磁化强度在电致阻变前后都能够得到一定的调制。因此,该研究可以为未来寻找新的电致阻变材料、设计多功能器件、探究其中的相关机制提供一定的参考。
【学位单位】:山西师范大学
【学位级别】:硕士
【学位年份】:2018
【中图分类】:TB383.2
【部分图文】:

关系图,电路元件,关系图,介质层


图 1-1 四种电路元件关系图[14]结构及材料非常简单的电极/介质层/电极的三明治结构,其中如此简单的结构使得它很容易集成十字交叉阵极互相垂直交叉,成为器件的位线和字线,而存交点都是一个存储单元。十字交叉阵列结构被认为的最小尺寸可达 4F2(F 是最小的特征尺寸),若垂寸进一步减小到 4F2/n(n 是堆积的十字交叉阵列层度存储的潜力。/介质层/电极三明治结构中,介质层作为发生 RS的影响。介质层的材料可以是无机半导体或绝缘料。其中无机存储介质材料具有更好的转换稳定

单极性,双极性,电阻


山西师范大学硕士学位论文 中信息的存储是通过不同的电阻状态实现信息的存储,态(LRS)即“ON”,这两种稳定的电阻状态可以表示计1”。通过电场的刺激这两个状态可以相互转换,从 HRS为 set 和 reset 过程,并且在撤掉电场之后 HRS 和 LRS存储。通常在 set 过程中设有限制电流(Icomp)来防止要可以分为单极性转变和双极性转变。如图 1-2(a)所器件只需要同一方向的偏压就可以实现 set 和 reset 过程器件需要两个相反方向的偏压来实现 set 和 reset 过程,由器件的微结构[35-37]和加电操作的设置[38]决定的。因此两种电阻转变行为[39-42]。

单极性,双极性,非易失性,阈值


引起的热扩散或者是导电通道表面自由能的降低或者是在电场或热的作用下诱导了一个相变过程。而单极性阈值转变模型从本质上来说是挥发性电阻转变,如图 1-3(d)所示。随着电压的增大,当电压达到某一值时,电流急剧增加,器件由绝缘态突然转变成金属态。然而,当电压逐渐减小到某一值时,器件再次转变到绝缘态。在电场的作用下,焦耳热会引起局域高温区域发生金属—绝缘体材料由绝缘体转变成金属,引起电流突然增加;随着电压的降低,当温度低于金属—绝缘体转变温度时,又恢复到绝缘态,因此,单极性阈值转变模型完全是焦耳热的作用。目前,还没有发现纯电场作用的电阻转变器件,在大多数器件中电阻转变是电场和热效应共同作用的结果,随着器件的电压和电流的变化以及电阻的转变,热效应和电场的作用也会发生动态改变。通过电阻的转换模型可以推断出在 reset 过程中的存在的导电机制,在单极性转变模型中,热效应是主要的推动力,导电通道在 reset 过程中被熔断。而在双极性中,导电丝的断裂是由于在电场的作用下带电粒子的迁移和热效应加速粒子的迁移共同作用的结果。

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2 王铮e

本文编号:2814409


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