Carbon多层薄膜的电阻开关特性的研究

发布时间：2020-03-20 02:27

【摘要】：随着科学技术的进步,信息化时代得到了全面的普及和发展,人们对存储器件高性能和小型化(包括高稳定性、低功耗和多种功能等)的要求越来越高,这就需要研制同时具有多种功能和特性的新材料和新器件。目前常见的存储器类型主要包括非易失性存储器和易失性存储器两类。非易失性存储器由于具有易读取、存储时间长和高稳定性等特点,迎合信息化时代的人们对存储器的高要求性,深受研究者们和技术公司的青睐。易失性存储器由于只能满足人们对信息短暂存储的需求而被研究人员所忽略。相变存储器、铁电存储器、磁存储器和阻变存储器等都是常见的非易失性存储器。相变存储器指相变材料在相变转换时,利用电学性质的不同进行信息存储;铁电存储器指铁电材料发生自发极化时,利用不同剩余极化状态进行信息存储;磁存储器指利用表面磁介质作为记录信息的存储器;阻变存储器指特定材料的电阻在不同阻态之间的转换而构成存储信息的存储器。阻变存储器由于具有读取速度快、存储密度大、存储时间长、低功耗和结构简单等主要特点,已被看为下一代非易失性随机存储器的候选者。研究者们在许多过渡金属氧化物、有机物和钙钛矿氧化物等材料中均发现电阻开关特性的存在。由于电阻开关特性内容的丰富多样导致对其机理的解释也参差不齐,因此对电阻开关的进一步研究对其机理的解释显得尤为重要。碳(Carbon)作为第Ⅳ主族元素和常见的非金属材料,因其具有良好的导电性、较高的稳定性、耐高温、质地较软、较好的光滑度和层状物质等重要特性而受到人们的广泛关注。碳不像BaTiO_3、BiFeO_3等钙钛矿氧化物具有铁电性和磁性等物理性质,但在阻变存储器等非易失性存储器中仍然有着很大的研究意义。过去几年对碳进行研究的文章屡见不鲜,包括碳纳米管、单层石墨烯和C_(60)等,其中关于石墨烯的研究和应用获得2010年的诺贝尔物理学奖。本论文简要的介绍了Carbon的结构、物理性质以及在电阻开关方面的实际应用。在此基础上研究了含Carbon多层纳米薄膜器件的电阻开关特性,详细的阐述了样品的制备流程、结构表征、电学性质的测量和相关物理现象的机理解释,主要内容如下:(1)简要的介绍了Carbon的结构、物理性质、研究进展和应用前景,详细的阐述了非易失性存储器及其分类、电阻开关的分类和解释机理。(2)实验采用磁控溅射镀膜设备在N型不导电Si上制备出C/BaTiO_3/ZnO纳米薄膜,利用扫描电子显微镜(SEM)对样品横截面厚度进行了表征,应用Keithley 2400对样品的Ⅰ-Ⅴ曲线进行了测量。同时进一步研究了白光照射对样品电阻开关特性的调控作用。实验结果表明:样品的Ⅰ-Ⅴ曲线有明显的双极性电阻开关特性的存在,样品的电导率随光照强度的增加在逐渐升高,样品的Ⅰ-Ⅴ曲线无论在黑暗还是光照下均存在较高的稳定性。我们采用氧空位或缺陷对电荷的捕获和释放作用对样品的这些物理现象做出了合理的解释。(3)实验采用上述实验的镀膜设备制备出C/BaTiO_3/ZnO/BaTiO_3样品,同时利用SEM和Keithley 2400分别对样品的横截面厚度和Ⅰ-Ⅴ曲线进行了表征与测量。样品的Ⅰ-Ⅴ曲线表现出明显的单极性电阻开关特性。同时进一步研究了白光照射对样品Ⅰ-Ⅴ曲线的调控作用。研究结果表明:样品的电导率随光照强度的增加在逐渐升高,样品的Ⅰ-Ⅴ曲线在光照条件下的稳定性高于黑暗条件下的稳定性。我们采用氧空位或空穴对电荷的捕获和释放作用以及焦耳热的影响对样品的这些物理现象做出了合理的解释。(4)实验采用上述实验的镀膜设备在N型不导电Si上制备出C/ZnO样品,同时采用SEM和Keithley 2400分别对样品的横截面厚度和Ⅰ-Ⅴ曲线进行了表征与测量。样品的Ⅰ-Ⅴ曲线表现出明显的滞后效应。同时进一步研究了白光照射对样品Ⅰ-Ⅴ曲线的调控作用。研究结果表明:样品的电导率随光照强度的增加在逐渐降低,表现出“负光电导效应”,样品的Ⅰ-Ⅴ曲线在黑暗条件下具有较高的稳定性。我们采用C与ZnO界面之间形成的电容存储电荷机理以及ZnO材料的表面效应对样品的这些物理现象做出了合理的解释。
【图文】：

示意图,铁电材料,电滞回线,外电场

这一过程同时伴随着电极化强度的产生。随着外电场强度的增加，电极化强度呈非线性曲线上升，如图1-1 中的步骤“1”所示。当外电场增加到某一强度时，各个电畴的电极化强度方向几乎和外电场方向一致，电极化强度的大小趋于稳定值 Ps（SaturationPolarization），即铁电材料达到饱和极化强度 Ps，此时外电场的大小称为饱和电场。铁电材料达到饱和极化强度后，电极化强度随外电场强度的减小而下降，电滞回线沿曲线“2”返回。当外电场强度为零时，铁电材料的电极化强度大小并不为零，此时的电极化强度大小称为剩余极化强度 Pr（Remanent Polarization）。随着外电场强度的反向增加，铁电材料的电极化强度将会持续减小到零，此时的外电场强度大小称矫顽电场-Ec（Coercive Electric）。当反方向外电场强度继续增加时，铁电材料的电滞回线将再次达到饱和极化强度状态。此后，随着反向外电场强度的降低，铁电材料的电滞回线沿“4”曲线返回。当外电场强度为零时，铁电材料的电滞回线将再次达到剩余极化强度-Pr 态。如果再次施加正方向的外电场到矫顽电场+Ec 时

示意图,随机存储器,磁阻,机构

西南大学硕士学位论文进行编码存储。无外电场作用时，用“+Pr”和“-P态。当外电场强度大于矫顽电场 Ec 时，，铁电材料的对铁电材料来讲，撤去外电场作用后的电畴内部的电保持电极化状态。这一特征将会导致铁电存储器在不实现对写入其中数据的保存功能，从而形成一种非极化方向之间的切换能力为非易失性铁电存储器提器的工作温度应当低于材料的居里温度，否则会引起机存储器(MRAM)储器（MRAM）的基本原理是利用磁性材料的双稳息进行存储与读取。磁阻随机存储器的基本构造单
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP333

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