阻變存儲材料金紅石型二氧化鈦中氧缺陷行為的第一性原理研究
發(fā)布時間：2021-11-05 05:10
阻變存儲技術(shù)憑借眾多氧化物、固態(tài)電解質(zhì)材料、有機(jī)材料中存在的電阻記憶及轉(zhuǎn)變特性,有望開拓新一代非易失性信息存儲領(lǐng)域。它能夠被用于大規(guī)模集成電路,工作時消耗較低功耗的同時,還能保持很好的數(shù)據(jù)處理速度。經(jīng)過前人對阻變機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn),阻變器件的工作過程與其介質(zhì)材料中導(dǎo)電絲的形成、連通、斷裂息息相關(guān)。然而,研究多數(shù)是依據(jù)實(shí)驗現(xiàn)象開展分析,隱藏在存儲器內(nèi)部的微觀物理機(jī)制還需要進(jìn)一步探索。金紅石二氧化鈦（rutile TiO2）作為最早被用于阻變存儲器件介質(zhì)層的二元金屬氧化物材料之一,也是較早被用于研究阻變機(jī)制的材料。有研究指出二氧化鈦材料中的氧空位與導(dǎo)電絲存在強(qiáng)關(guān)聯(lián),導(dǎo)電絲的主要成分為缺氧的TiO2。因此,本論文以金紅石TiO2的氧相關(guān)缺陷行為作突破口,借助第一性原理計算,期望從微觀角度對材料的阻變機(jī)制有一個較深入的理解,其中,氧相關(guān)缺陷行為的研究包括氧空位的分布趨勢,氧缺陷的穩(wěn)定構(gòu)型以及遷移運(yùn)動仿真等。本項工作的具體研究內(nèi)容及結(jié)論如下:1.氧空位在TiO2中的分布趨勢。我們首先構(gòu)建多個含有不同氧空位數(shù)量和分...
【文章來源】：吉林大學(xué)吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：74 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
圖1.1雙端電路元件及其關(guān)系[1]
第一章緒論3dqitdt…………………………(1.3)綜合（1.1）、（1.2）、（1.3）三個式子，可知：vtMqtit……………………(1.4)由此表明，M等于某一時刻電壓與電流之比，其具有與電阻相同的量綱。但區(qū)別于電阻的一點(diǎn)是，M值受到流經(jīng)其內(nèi)部的電荷量影響。換句話說，憶阻器具有電荷記憶功能。憶阻器的電阻值能夠在外加電信號的作用下變化，并且在電信號被撤走后，仍能保持祝因此，憶阻器可以在至少兩個穩(wěn)定態(tài)之間來回切換。阻變存儲器就是利用憶阻器的阻值變化來記錄存儲的數(shù)據(jù)信息。當(dāng)阻變存儲器從高電阻態(tài)向低電阻態(tài)轉(zhuǎn)變時能夠完成存儲器的set寫入操作，而從低電阻態(tài)向高電阻態(tài)轉(zhuǎn)變時能夠完成存儲器的reset擦除操作。1.2.2阻變存儲器的基本結(jié)構(gòu)當(dāng)前所研究的阻變存儲器結(jié)構(gòu)單元普遍如圖1.2所示。該結(jié)構(gòu)較為簡單，如三明治樣。結(jié)構(gòu)中上下電極的主要材料為銀、銅、鋁、鉑等傳統(tǒng)的金屬單質(zhì)，中間的介電層則選用絕緣體，通常情況下為良好的離子導(dǎo)體，如金屬氧化物。正是由于這一簡單的單元結(jié)構(gòu)，使得阻變存儲器可以很容易的被擴(kuò)展，并通過十字交叉陣列，也就是crossbar結(jié)構(gòu)進(jìn)行大規(guī)模的電路集成和應(yīng)用。圖1.2阻變存儲器的基本單元結(jié)構(gòu)。
第一章緒論5含有較高濃度缺陷的情況下，表現(xiàn)出優(yōu)異的憶阻特性[26]。TaOx在阻變循環(huán)次數(shù)指標(biāo)上表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，受到科研人員的廣泛關(guān)注[27]。此外，金屬Cu和W等是集成電路半導(dǎo)體工藝中普遍使用的材料，它們的氧化物均表現(xiàn)出良好的電阻轉(zhuǎn)變行為。因此，用CuOx和WOx制作阻變材料，可以很好地與傳統(tǒng)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，CMOS）工藝兼容，故針對CuOx和WOx的阻變行為研究也層出不窮[22-24,28,29]。圖1.3匯總了常用于阻變存儲器介質(zhì)層的二元金屬氧化物材料和電極材料[30]。黃色底元素對應(yīng)于具有穩(wěn)定阻變行為的二元金屬氧化物材料，藍(lán)色底表示能夠被用作憶阻器電極的金屬材料。圖1.3常見的二元金屬氧化物憶阻材料和電極材料[30]。1.2.4阻變存儲器的發(fā)展人們在使用非易失性存儲器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲時，不會出現(xiàn)設(shè)備突然斷電或意外停止造成的數(shù)據(jù)消失情況。這項技術(shù)方便人們進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存，因此被得以快速發(fā)展。目前，非易失性存儲器主要分為傳統(tǒng)型非易失性存儲器和新型非易失性存儲器。硬盤和閃存均屬于傳統(tǒng)的非易失性存儲設(shè)備。硬盤雖然有著較大的數(shù)據(jù)存儲容量，但其工作時，處理數(shù)據(jù)的速度較慢。閃存相比硬盤來講，讀寫速度有所提升，功耗也變得更低。然而，閃存要想替代通用型的存儲器應(yīng)用在傳統(tǒng)計算機(jī)
本文編號：3477140
【文章來源】：吉林大學(xué)吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：74 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
圖1.1雙端電路元件及其關(guān)系[1]
第一章緒論3dqitdt…………………………(1.3)綜合（1.1）、（1.2）、（1.3）三個式子，可知：vtMqtit……………………(1.4)由此表明，M等于某一時刻電壓與電流之比，其具有與電阻相同的量綱。但區(qū)別于電阻的一點(diǎn)是，M值受到流經(jīng)其內(nèi)部的電荷量影響。換句話說，憶阻器具有電荷記憶功能。憶阻器的電阻值能夠在外加電信號的作用下變化，并且在電信號被撤走后，仍能保持祝因此，憶阻器可以在至少兩個穩(wěn)定態(tài)之間來回切換。阻變存儲器就是利用憶阻器的阻值變化來記錄存儲的數(shù)據(jù)信息。當(dāng)阻變存儲器從高電阻態(tài)向低電阻態(tài)轉(zhuǎn)變時能夠完成存儲器的set寫入操作，而從低電阻態(tài)向高電阻態(tài)轉(zhuǎn)變時能夠完成存儲器的reset擦除操作。1.2.2阻變存儲器的基本結(jié)構(gòu)當(dāng)前所研究的阻變存儲器結(jié)構(gòu)單元普遍如圖1.2所示。該結(jié)構(gòu)較為簡單，如三明治樣。結(jié)構(gòu)中上下電極的主要材料為銀、銅、鋁、鉑等傳統(tǒng)的金屬單質(zhì)，中間的介電層則選用絕緣體，通常情況下為良好的離子導(dǎo)體，如金屬氧化物。正是由于這一簡單的單元結(jié)構(gòu)，使得阻變存儲器可以很容易的被擴(kuò)展，并通過十字交叉陣列，也就是crossbar結(jié)構(gòu)進(jìn)行大規(guī)模的電路集成和應(yīng)用。圖1.2阻變存儲器的基本單元結(jié)構(gòu)。
第一章緒論5含有較高濃度缺陷的情況下，表現(xiàn)出優(yōu)異的憶阻特性[26]。TaOx在阻變循環(huán)次數(shù)指標(biāo)上表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，受到科研人員的廣泛關(guān)注[27]。此外，金屬Cu和W等是集成電路半導(dǎo)體工藝中普遍使用的材料，它們的氧化物均表現(xiàn)出良好的電阻轉(zhuǎn)變行為。因此，用CuOx和WOx制作阻變材料，可以很好地與傳統(tǒng)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，CMOS）工藝兼容，故針對CuOx和WOx的阻變行為研究也層出不窮[22-24,28,29]。圖1.3匯總了常用于阻變存儲器介質(zhì)層的二元金屬氧化物材料和電極材料[30]。黃色底元素對應(yīng)于具有穩(wěn)定阻變行為的二元金屬氧化物材料，藍(lán)色底表示能夠被用作憶阻器電極的金屬材料。圖1.3常見的二元金屬氧化物憶阻材料和電極材料[30]。1.2.4阻變存儲器的發(fā)展人們在使用非易失性存儲器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲時，不會出現(xiàn)設(shè)備突然斷電或意外停止造成的數(shù)據(jù)消失情況。這項技術(shù)方便人們進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存，因此被得以快速發(fā)展。目前，非易失性存儲器主要分為傳統(tǒng)型非易失性存儲器和新型非易失性存儲器。硬盤和閃存均屬于傳統(tǒng)的非易失性存儲設(shè)備。硬盤雖然有著較大的數(shù)據(jù)存儲容量，但其工作時，處理數(shù)據(jù)的速度較慢。閃存相比硬盤來講，讀寫速度有所提升，功耗也變得更低。然而，閃存要想替代通用型的存儲器應(yīng)用在傳統(tǒng)計算機(jī)
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