阻变存储材料金红石型二氧化钛中氧缺陷行为的第一性原理研究

发布时间：2021-11-05 05:10

　　阻变存储技术凭借众多氧化物、固态电解质材料、有机材料中存在的电阻记忆及转变特性,有望开拓新一代非易失性信息存储领域。它能够被用于大规模集成电路,工作时消耗较低功耗的同时,还能保持很好的数据处理速度。经过前人对阻变机理的研究发现,阻变器件的工作过程与其介质材料中导电丝的形成、连通、断裂息息相关。然而,研究多数是依据实验现象开展分析,隐藏在存储器内部的微观物理机制还需要进一步探索。金红石二氧化钛（rutile TiO₂）作为最早被用于阻变存储器件介质层的二元金属氧化物材料之一,也是较早被用于研究阻变机制的材料。有研究指出二氧化钛材料中的氧空位与导电丝存在强关联,导电丝的主要成分为缺氧的TiO₂。因此,本论文以金红石TiO₂的氧相关缺陷行为作突破口,借助第一性原理计算,期望从微观角度对材料的阻变机制有一个较深入的理解,其中,氧相关缺陷行为的研究包括氧空位的分布趋势,氧缺陷的稳定构型以及迁移运动仿真等。本项工作的具体研究内容及结论如下:1.氧空位在TiO₂中的分布趋势。我们首先构建多个含有不同氧空位数量和分... 

【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

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【学位级别】：硕士

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图1.1双端电路元件及其关系[1]

第一章绪论3dqitdt…………………………(1.3)综合（1.1）、（1.2）、（1.3）三个式子，可知：vtMqtit……………………(1.4)由此表明，M等于某一时刻电压与电流之比，其具有与电阻相同的量纲。但区别于电阻的一点是，M值受到流经其内部的电荷量影响。换句话说，忆阻器具有电荷记忆功能。忆阻器的电阻值能够在外加电信号的作用下变化，并且在电信号被撤走后，仍能保持祝因此，忆阻器可以在至少两个稳定态之间来回切换。阻变存储器就是利用忆阻器的阻值变化来记录存储的数据信息。当阻变存储器从高电阻态向低电阻态转变时能够完成存储器的set写入操作，而从低电阻态向高电阻态转变时能够完成存储器的reset擦除操作。1.2.2阻变存储器的基本结构当前所研究的阻变存储器结构单元普遍如图1.2所示。该结构较为简单，如三明治样。结构中上下电极的主要材料为银、铜、铝、铂等传统的金属单质，中间的介电层则选用绝缘体，通常情况下为良好的离子导体，如金属氧化物。正是由于这一简单的单元结构，使得阻变存储器可以很容易的被扩展，并通过十字交叉阵列，也就是crossbar结构进行大规模的电路集成和应用。图1.2阻变存储器的基本单元结构。

第一章绪论5含有较高浓度缺陷的情况下，表现出优异的忆阻特性[26]。TaOx在阻变循环次数指标上表现出巨大的优势，受到科研人员的广泛关注[27]。此外，金属Cu和W等是集成电路半导体工艺中普遍使用的材料，它们的氧化物均表现出良好的电阻转变行为。因此，用CuOx和WOx制作阻变材料，可以很好地与传统互补金属氧化物半导体（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，CMOS）工艺兼容，故针对CuOx和WOx的阻变行为研究也层出不穷[22-24,28,29]。图1.3汇总了常用于阻变存储器介质层的二元金属氧化物材料和电极材料[30]。黄色底元素对应于具有稳定阻变行为的二元金属氧化物材料，蓝色底表示能够被用作忆阻器电极的金属材料。图1.3常见的二元金属氧化物忆阻材料和电极材料[30]。1.2.4阻变存储器的发展人们在使用非易失性存储器进行数据存储时，不会出现设备突然断电或意外停止造成的数据消失情况。这项技术方便人们进行数据的保存，因此被得以快速发展。目前，非易失性存储器主要分为传统型非易失性存储器和新型非易失性存储器。硬盘和闪存均属于传统的非易失性存储设备。硬盘虽然有着较大的数据存储容量，但其工作时，处理数据的速度较慢。闪存相比硬盘来讲，读写速度有所提升，功耗也变得更低。然而，闪存要想替代通用型的存储器应用在传统计算机


本文编号：3477140