基于ZnO材料阻变存储器的第一性原理研究

发布时间：2020-09-18 19:54

　　 目前阻变存储器材料研究的成为人们研究的热点领域,阻变存储器有望成为下一代存储器件的领导者,阻变存储器凭借与CMOS工艺相互兼容优点,很有希望取代其他类型的存储器。本文基于泛函密度理论(DFT)的第一性原理的方法,通过图形化的界面构建Ag/ZnO/Pt器件的结构模型,计算器件的IV特性曲线。本文采用国际最先进的材料模拟软件ATK进行模拟仿真,理论的实验基础为清华大学潘峰课题组关于ZnO材料的阻变存储器研究。本文从理论上采用第一性原理的方法进行模拟和计算。为了准确的计算半导体氧化锌材料的能带,分别设置交关联函数为LDA、GGA、GGA+U、MGGA四种方案分别进行计算。采用MGGA的方法克服了用LDA、GGA的计算半导体材料的不准确性,计算的Zn0的禁带宽度与实验的结果比较接近。器件两端加上不同电压的时候,对Zn0材料的禁带宽度有影响,当在器件的两端加电场时,导致Zn0禁带宽度的减小,随着施加电压的增大,计算的半导体材料ZnO的禁带宽度减小。考虑ZnO晶体结构、无定形状态以及工艺环境对材料的影响,主要研究ZnO晶体高温退火后产生无定形态。通过比较晶体结构与无定形结构的径向分布函数、配位数分布函数的变化,来确定高温退后过程中ZnO晶体结构的变化。通过计算晶体结构与无定形结构中氧空位的形成能,发现在无定形的晶体结构中,氧空位的形成能较低,能够获得高的擦写速度和低的工作电压。晶体结构中氧空位的形成能比较高,在无定形的结构中氧空位的形成能为负值说明在无定形结构中氧空位能自发的形成。计算不同电极材料金属表面的功函数,包括:Ag(100)、Ag(111)、Pt(100)、Pt(111)、Pt(001)、Cu(100)、Cu(111)。比较金属表面功函数的大小,如果构建的器件的模型结构两种金属表面的功函数相近或者中间绝缘体表面的功函数与金属表明的功函数相近,这样构建的界面的结构容易形成欧姆接触。如果界面的结构为两种界面的功函数差距较大,这样构建的器件的表面的模型,容易形成非欧姆接触,在ⅣV特性上表现为非线性关系。本文研究Pt原子在Pt(100)表面的扩散的情况:一种方式是直接的跳跃的过程,Pt原子直接从原来的位置直接跳出Pt(100)表面:另一种情况是交换扩散的情况,就Pt原子与周围的Pt原子交换之后,跳出Pt(100)表面。分别计算了这两种情况下的迁移势垒,以交换扩散为主。研究在ZnO器件中掺入杂质元素,对于阻变器件的影响。计算结果表明掺入Ag元素,有利于金属导电细丝的形成,从而显著的改变了器件的阻变特性。计算了 ZnO晶体结构和掺入杂质之后的ⅣV特性曲线,从器件Ⅳ特性的角度分析,掺入金属元素之后,引入了杂质能级,使ZnO的能带减小,计算的器件的Ⅳ特性曲线表现为非线性。构建Ag/ZnO/Pt器件的结构,计算器件的Ⅳ特性曲线。具体研究不同的电极材料对体系的影响,为选择合适的电极材料提供参考。在Ag/ZnO/Pt器件的结构进行元素的掺杂,计算器件的Ⅳ特性曲线。从微观机理的角度分析器件的结构的模型,从考虑掺杂与没有掺杂的情况,适当的提高金属掺杂的浓度,有利于阻变器件性能的改善,实验中应该考虑掺杂的类型和掺杂的浓度来提高阻变器件的性能。
【学位单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP333

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本文编号：2822101