阻變存儲器具有結構簡單,單元尺寸小,存儲密度高,保持性好等優(yōu)點,使其有望成為下一代主流存儲器。尋找合適的電致阻變材料,優(yōu)化電致阻變性能,并對其相關機制進行研究一直是人們關注的熱點。本文以ZnO和BN材料為對象,采用磁控濺射方法制備了一系列ZnO和BN基薄膜,系統(tǒng)研究了摻雜和電極對其電致阻變特性的影響。(1)設計并制備了不同金屬納米顆粒(TM=Mn、Cu、Co)摻雜ZnO薄膜作為阻變介質(zhì)層的Pt/ZnO-TM/Au樣品,研究它們電致阻變性能的異同。結果表明,不同金屬的摻雜對ZnO薄膜的電致阻變性能有很大的影響。由于金屬Mn、Cu和Co與ZnO之間功函數(shù)差值的不同,導致了電子需要填充勢阱高度不同,因此其電致阻變效應的操作電壓不同,低阻態(tài)下ZnO-Cu樣品呈金屬特性,說明其電致阻變與Cu導電絲的形成有關,而低阻態(tài)下ZnO-Co和ZnO-Mn樣品呈半導體特性,說明其電致阻變可能與金屬導電絲的形成無關;為了進一步探究其中的機制,我們設計并制備了以Co為頂、底電極的Co/ZnO/Co樣品,測試了在逐漸施加電壓使樣品從高阻態(tài)轉變?yōu)榈妥钁B(tài)過程中,樣品的導電性、磁性和磁電阻效應的變化。結果表明,樣品一直顯示半導體特性,高阻態(tài)的飽和磁化強度大于低阻態(tài)的飽和磁化強度,而且沒有觀察到磁電阻效應的產(chǎn)生。該現(xiàn)象進一步說明在電致阻變過程中鐵磁性的Co原子沒有明顯遷移,而是氧離子遷移引起的氧空位的積累導致了電致阻變效應的產(chǎn)生。(2)設計并制備了不同BN層厚度的Pt/BN/Au樣品,并在固定BN薄膜厚度的情況下,沉積不同金屬(Cu、Co、Au)作為頂電極的樣品。結果表明,BN樣品呈雙極性電致阻變行為,其操作電壓隨著厚度的增大而增大;除了BN層厚度,BN薄膜的電致阻變性能還與電極材料的功函數(shù)、電負性等內(nèi)稟屬性密切相關;與此同時,設計了Co金屬納米顆粒摻雜BN薄膜作為阻變介質(zhì)層的Pt/BN-Co/Au樣品。與BN薄膜相比,BN-Co薄膜的操作電壓顯著減小,這可能是由于BN-Co薄膜中的Co納米顆粒的存在降低了樣品的初始電阻、增強Co顆粒周圍的局域電場、從而降低了導電絲生成的隨機性,降低了器件的能耗。通過分析Pt/BN/Co樣品的X射線光電子能譜,比較高、低阻態(tài)下Pt/BN/Co和Pt/BN-Co/Au樣品的磁性變化,我們發(fā)現(xiàn),BN基薄膜中電致阻變效應的產(chǎn)生很可能與N離子遷移導致的N空位的積累有關�？傊�,本文設計并制備了以純ZnO、BN薄膜以及摻雜不同金屬顆粒的ZnO、BN薄膜為介質(zhì)層,以各種金屬為電極的電致阻變器件,研究了它們的微結構、電致阻變性質(zhì)和磁性,探究了相關機制。結果表明,活潑的Cu金屬不論作為摻雜元素還是電極,ZnO和BN基樣品中電致阻變效應的產(chǎn)生都與Cu導電絲的形成有關;Co、Mn、Au等金屬不論作為摻雜元素還是電極都不太容易遷移,ZnO和BN基樣品中電致阻變效應的產(chǎn)生均分別與氧離子和氮離子遷移導致的氧空位、氮空位的積累有關;Co金屬的鐵磁性使其不論作為電極還是介質(zhì)層的摻雜元素,樣品的飽和磁化強度在電致阻變前后都能夠得到一定的調(diào)制。因此,該研究可以為未來尋找新的電致阻變材料、設計多功能器件、探究其中的相關機制提供一定的參考。
【學位單位】：山西師范大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TB383.2
【部分圖文】：

圖 1-1 四種電路元件關系圖[14]結構及材料非常簡單的電極/介質(zhì)層/電極的三明治結構，其中如此簡單的結構使得它很容易集成十字交叉陣極互相垂直交叉，成為器件的位線和字線，而存交點都是一個存儲單元。十字交叉陣列結構被認為的最小尺寸可達 4F2（F 是最小的特征尺寸），若垂寸進一步減小到 4F2/n（n 是堆積的十字交叉陣列層度存儲的潛力。/介質(zhì)層/電極三明治結構中，介質(zhì)層作為發(fā)生 RS的影響。介質(zhì)層的材料可以是無機半導體或絕緣料。其中無機存儲介質(zhì)材料具有更好的轉換穩(wěn)定

山西師范大學碩士學位論文 中信息的存儲是通過不同的電阻狀態(tài)實現(xiàn)信息的存儲，態(tài)（LRS）即“ON”，這兩種穩(wěn)定的電阻狀態(tài)可以表示計1”。通過電場的刺激這兩個狀態(tài)可以相互轉換，從 HRS為 set 和 reset 過程，并且在撤掉電場之后 HRS 和 LRS存儲。通常在 set 過程中設有限制電流（Icomp）來防止要可以分為單極性轉變和雙極性轉變。如圖 1-2（a）所器件只需要同一方向的偏壓就可以實現(xiàn) set 和 reset 過程器件需要兩個相反方向的偏壓來實現(xiàn) set 和 reset 過程，由器件的微結構[35-37]和加電操作的設置[38]決定的。因此兩種電阻轉變行為[39-42]。

引起的熱擴散或者是導電通道表面自由能的降低或者是在電場或熱的作用下誘導了一個相變過程。而單極性閾值轉變模型從本質(zhì)上來說是揮發(fā)性電阻轉變，如圖 1-3（d）所示。隨著電壓的增大，當電壓達到某一值時，電流急劇增加，器件由絕緣態(tài)突然轉變成金屬態(tài)。然而，當電壓逐漸減小到某一值時，器件再次轉變到絕緣態(tài)。在電場的作用下，焦耳熱會引起局域高溫區(qū)域發(fā)生金屬—絕緣體材料由絕緣體轉變成金屬，引起電流突然增加；隨著電壓的降低，當溫度低于金屬—絕緣體轉變溫度時，又恢復到絕緣態(tài)，因此，單極性閾值轉變模型完全是焦耳熱的作用。目前，還沒有發(fā)現(xiàn)純電場作用的電阻轉變器件，在大多數(shù)器件中電阻轉變是電場和熱效應共同作用的結果，隨著器件的電壓和電流的變化以及電阻的轉變，熱效應和電場的作用也會發(fā)生動態(tài)改變。通過電阻的轉換模型可以推斷出在 reset 過程中的存在的導電機制，在單極性轉變模型中，熱效應是主要的推動力，導電通道在 reset 過程中被熔斷。而在雙極性中，導電絲的斷裂是由于在電場的作用下帶電粒子的遷移和熱效應加速粒子的遷移共同作用的結果。

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本文編號：2814409