钛酸锶表面电阻开关效应研究

发布时间：2020-11-01 02:58

　　 开发高速度、高密度、低功耗、非易失型的新型信息存储器已经成为信息存储领域主要研究方向。基于电阻开关效应的电阻随机存储器以其简单的结构和优良的性能引起了广泛的关注。然而大多数电阻开关效应发生在材料内部，不易直接观察，加上材料本征缺陷的影响，人们对其产生机理还缺乏清晰的认识。要实现电阻开关的应用，必须理解其物理机制。近年来，在钛酸锶（STO）和掺铌钛酸锶（NSTO）单晶表面均发现了电阻开关效应。单晶结构简单缺陷较少，表面过程易于观察，使这个体系成为研究电阻开关效应机理的良好平台。本论文以STO和NSTO表面为研究对象，以表面氧空位的产生和运动为主线，研究了其表面电输运性质和电阻开关效应的机理。研究内容主要包括以下几个方面。 首先，对比研究了新制备的和退火处理的宏观Au/NSTO异质结的交直流电学性质，发现了宏观Au/NSTO的不均匀性。实验发现，退火处理的样品呈现出理想的IV和CV特性，没有电阻开关效应。而新制备样品的IV和CV曲线都存在巨大的回滞，表现出明显的电阻开关效应。通过等效电路分析，利用退火样品无回滞的CV数据，我们模拟了新制备样品的CV测量过程。计算出回滞的CV曲线和实验曲线符合得很好。这些结果说明宏观样品的CV回滞是过大的漏电流和不可忽略的串联电阻造成的。在开关过程中结势垒形状一直保持不变。宏观界面是不均匀的，仅有很小的区域产生电阻开关效应。 在宏观结果的基础上，我们利用导电原子力显微镜和开尔文探针显微镜在微观尺度上研究了NSTO表面电阻开关效应的机理，并提出了界面型电阻开关的双势阱模型。在高真空中，NSTO表面能被均匀地激励到高低阻态，高阻态费米能级较低，低阻态费米能级较高。电阻开关效应和费米能级的移动均被氧气强烈地压制。综合考虑电阻开关的极性、费米能级的移动方向及氧气的作用，我们认为NSTO表面电阻开关效应是由表面电化学反应导致的。结合第一原理计算，我们提出了描述界面型电阻开关效应的双势阱模型，统一地解释了宏观和微观的实验结果，并对器件设计给出了指导。 在高真空中利用原子力显微镜的纳米刻蚀技术在绝缘的STO单晶表面制备了准二维的导电体系。其变温电输运特性符合半导体热激活模型，激活能接近氧空位的第一电离能。该体系的导电性受到氧气的强烈压制，说明其导电性来源于表面氧空位。结合第一原理计算，通过对原子轨道和氧空位电场形状的分析，我们统一地解释了氧空位导致的半导体型和金属型表面准二维导电体系。
【学位单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：TP333
【部分图文】：

四种两端元件的对称关系

TiO2忆阻器的结构（a）与IV特性（b）

单极型（a）与双极型(b)电阻开关的通断特性
【参考文献】

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1 潘立阳,朱钧;Flash存储器技术与发展[J];微电子学;2002年01期

本文编号：2864931