發(fā)布時(shí)間：2017-12-20 19:08

  本文關(guān)鍵詞：阻變耦合機(jī)制研究：光注入、鐵電極化及超導(dǎo)電性　出處：《河南大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：阻變存儲器具有存儲密度大、擦寫速度快、可多值存儲、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是替代閃存實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的新一代存儲器。氧化物阻變器件可將力、電、磁、聲、光等多種物理機(jī)制相耦合,是多功能電子器件的理想備選材料,受到了世界范圍內(nèi)研究人員的關(guān)注。目前,多種氧化物材料構(gòu)建了不同的阻變存儲器模型。然而,隱藏在不同材料體系背后的阻變機(jī)理還不夠清晰。這種現(xiàn)狀影響了阻變器件性能的進(jìn)一步提高及應(yīng)用。因此,通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究去揭示氧化物阻變的物理機(jī)制,提高器件工作性能是當(dāng)前非常重要的一個(gè)研究課題。NiO、YMnO_3(YMO)和PrBa_2Cu_3O_7(PBCO)分別是具有代表性的二元、三元、四元氧化物,其阻變行為可與多種物理現(xiàn)象耦合,呈現(xiàn)出一系列有趣的現(xiàn)象,值得我們深入研究。本論文采用脈沖激光沉積(PLD)技術(shù),制備了NiO、YMO和PBCO薄膜。通過研究上述薄膜器件的阻變行為分別與光注入、鐵電極化和超導(dǎo)特性三個(gè)方面的耦合行為,揭示隱藏在不同材料背后的阻變規(guī)律和機(jī)制,為多功能阻變存儲器的研究和應(yīng)用提供參考。本論文主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:1.NiO/SrTiO_3:Nb(NSTO)電子型阻變與光注入的耦合研究通過控制脈沖激光沉積(PLD)過程中的氧壓,在NSTO襯底上制備了n型和p型NiO薄膜。I-V性質(zhì)和光電流研究表明p型NiO/NSTO樣品具有典型的雙極性阻變行為。器件經(jīng)光注入后能夠增加一系列新的電阻態(tài),可通過改變NiO/NSTO的不同電阻態(tài)來調(diào)節(jié)光電流的大小。I-V曲線的線性擬合揭示了低阻態(tài)(LRS)遵循歐姆定律而高阻態(tài)(HRS)符合肖特基(Schottky)發(fā)射機(jī)制,同時(shí)排除了離子型導(dǎo)電機(jī)制�；趯庹蘸桶祽B(tài)環(huán)境中正負(fù)電壓下耗盡層寬度的估算,分析了電子型阻變和光反應(yīng)的起源。結(jié)合能帶理論提出NiO/NSTO結(jié)的阻變機(jī)制和光反應(yīng)的起源為光、電注入導(dǎo)致的載流子濃度的變化引起的p-n結(jié)耗盡層寬度的改變。2.Pt/YMO/Pt器件阻變性能與機(jī)制研究三明治結(jié)構(gòu)的Pt/YMO/Pt薄膜臺階器件具有無極性阻變行為。YMO器件和YMO薄膜的阻變現(xiàn)象利用電壓源兩線法和電流源四線法測試。發(fā)現(xiàn)伴隨著YMO器件的電阻從3×10~5Ω跳變?yōu)?0Ω,YMO薄膜臺階的電阻也隨之從1×10~4Ω變?yōu)?Ω。I-V曲線擬合結(jié)果表明HRS和LRS分別符合Schottky發(fā)射和歐姆定律。R-T曲線表明器件和薄膜的HRS為半導(dǎo)體/絕緣體特性,而LRS則為金屬特性。通過樣品界面處的導(dǎo)電力原子力顯微鏡(CAFM)的表征進(jìn)一步證明了Pt/YMO/Pt器件的阻變行為起源于導(dǎo)電細(xì)絲機(jī)制。LRS和HRS分別歸因于Mn離子的氧化還原反應(yīng)形成的類金屬導(dǎo)電細(xì)絲的形成和斷裂。上述結(jié)果為三明治結(jié)構(gòu)器件導(dǎo)電細(xì)絲的原位研究提供了參考。3.YMO/NSTO阻變行為與鐵電性的耦合研究為了區(qū)分和控制薄膜層和界面的多級存儲阻變行為,在NSTO襯底上PLD制備了YMO薄膜臺階。薄膜臺階YMO/NSTO器件具有高RHRS/RLRS比(1000倍),高穩(wěn)定性(100周期),長保持性(100℃,14h)和大于四個(gè)存儲級別的優(yōu)良性能。這一研究提供了一種多級存儲的可能性,可以在一個(gè)器件里實(shí)現(xiàn)四個(gè)甚至更多的非易失性存儲態(tài)。YMO/NSTO器件在多級存儲,低能耗非易失性存儲領(lǐng)域具有良好的研究和應(yīng)用前景。壓電力顯微鏡(PFM)研究表明YMO/NSTO器件的多級存儲性能的阻變行為起源于鐵電極化反轉(zhuǎn)導(dǎo)致的YMO與NSTO界面勢壘的變化。4.PBCO基器件阻變與超導(dǎo)特性的耦合(1)通過電場觸發(fā)阻變引發(fā)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變這種非常規(guī)手段,研究PBCO/NSTO的阻變和超導(dǎo)的耦合問題。在阻變發(fā)生前,PBCO/NSTO器件和PBCO薄膜臺階層的電阻隨著溫度的降低而增大,低溫環(huán)境中,發(fā)生阻變行為以后,器件和薄膜臺階層的電阻會隨著溫度的降低而降低。其中薄膜的電阻在溫度降低到一個(gè)特定溫度(T_c)附近會突然減小到零,實(shí)現(xiàn)從非超導(dǎo)態(tài)到超導(dǎo)態(tài)的改變。超導(dǎo)臨界溫度(T_c)值和觸發(fā)電流的大小直接相關(guān),觸發(fā)電流越大,T_c越高(I=10mA時(shí),T_c=26K;I=50mA時(shí),T_c=70K)。另外發(fā)現(xiàn),PBCO薄膜在轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)以后,薄膜內(nèi)部存在一個(gè)內(nèi)建電場,該內(nèi)建電場的大小也和觸發(fā)電流的大小相關(guān)。觸發(fā)電流越大,該內(nèi)建電場的偏壓就越小(I=10mA時(shí),V=0.13V;I=50 mA時(shí),V=0.1mV)。(2)采用電壓源兩線法測試了Pt/PBCO/Pt器件的無極性阻變行為,經(jīng)過線性擬合與分析,判斷了器件阻變起源于上電極界面的肖特基勢壘內(nèi)部導(dǎo)電細(xì)絲的形成與斷裂。
【學(xué)位授予單位】：河南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP333

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1 魏凌;阻變耦合機(jī)制研究：光注入、鐵電極化及超導(dǎo)電性[D];河南大學(xué);2016年

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本文編號：1313074