Moodustamata takistusliku ümberlülituse peamised kontseptsioonid koos transpordi omaduste parandamisega | teaduslikud aruanded

Moodustamata takistusliku ümberlülituse peamised kontseptsioonid koos transpordi omaduste parandamisega | teaduslikud aruanded

Anonim

Õppeained

  • Rakendusfüüsika
  • Elektroonilised seadmed
  • Elektroonilised omadused ja materjalid
  • Pinnad, liidesed ja õhukesed kiled

Abstraktne

See töö kirjeldab Ti difusiooni mõju bipolaarsele takistuslikule lülitusele Au / BiFeO 3 / Pt / Ti kondensaatoritaolistes struktuurides. Polükristallilised BiFeO 3 õhukesed kiled sadestatakse Pt / Ti / SiO2 / Si substraatidele erinevatel temperatuuridel erinevatel temperatuuridel impulss-laser-sadestamise teel. Energiast filtreeritud ülekandeelektronmikroskoopia ja Rutherfordi tagasiulatuva spektromeetria põhjal on täheldatud, et Ti difusioon toimub juhul, kui sadestumise temperatuur on üle 600 ° C. Voolu-pinge (I – V) kõverad näitavad, et takistuslikku ümberlülitust saab saavutada ainult Au / BiFeO 3 / Pt / Ti kondensaatoritaolistes struktuurides, kus see Ti difusioon toimub. Ti difusiooni mõju kinnitavad Pt / safiiri ja Pt / Ti / safiiri substraatidele ladestunud BiFeO 3 õhukesed kiled. Takistuslülitus ei vaja elektroformeerimist ja see on ühendatud alaldustavate omadustega, mis on potentsiaalselt kasulikud vargsi voolu summutamiseks risttala arhitektuuris. Need eripärad avavad paljulubava alternatiivse kontseptsiooni nii lendumatutele mäluseadmetele kui ka muudele memriseerivatele seadmetele, näiteks neuromorfsete vooluahelate sünapsidele.

Sissejuhatus

Takistuslülitust on viimastel aastatel laialdaselt uuritud võimalike rakenduste tõttu mittelenduvates takistuslikes mäluseadmetes. Üldiselt võib takistusliku lülituse jagada kahte põhitüüpi: hõõgniidi tüüp 1, 2, 3, 4 ja liidese tüüp 5, 6, 7, 8 . On aktsepteeritud, et hõõgniidi ümberlülitumine on tingitud lokaalsete juhtivate hõõgniitide moodustumisest, mis tuleneb hapniku vakantside 9, 10 ümberjaotumisest või metalliioonide difusioonist. Liidese lülitamiseks on välja pakutud erinevad mehhanismid, näiteks hapnikuvabade töökohtade migratsioon 13, laengu püüdmine 7 või polarisatsiooni lülitamine 14, 15 .

Liidesega seotud takistusliku lülituse osas on suur osa uurimistööst keskendunud liidesele, kus takistiline ümberlülitus toimub. Enamikul juhtudel on virn konstrueeritud nii, et see on liideks ülemise elektroodi ja õhukese kile vahel. Näiteks Shen jt. 16 teatasid, et (Ba, Sr) TiO 3 (BST) õhukeste kilede puhul on märkimisväärselt paranenud lülitusjõudlus, kasutades Pt asemel ülaelektroodina W-d. Nad omistavad selle käitumise pöörduva oksüdatsiooni ja redutseerimise protsessile W / BST liideses. Samamoodi on Liao jt. 17 pakkusid välja, et pealmise elektroodi ja Pr 0, 7 Ca 0, 3 MnO 3 õhukese kile vaheline õhuke metallioksiidikiht on oluline takistusliku ümberlülituse jaoks. Selle metallioksiidikihi moodustumine sõltub Gibbsi vabast ülemiste elektroodide oksüdatsioonienergiast. Ülemise elektroodimaterjali mõjust on teatatud ka takistusliku lülituse korral NiO 18 ja ZrO 19 õhukeste kilede korral. Lisaks tuvastati ülemise elektroodi geomeetria, millel on oluline roll. Fujimot jt. 20 täheldati takistuslikku lülitust Ag-pasta / Pr 0, 7 Ca 0, 3 MnO 3 / Pt struktuuris, samas kui Pt / Pr 0, 7 Ca 0, 3 MnO 3 / Pt struktuuris ei olnud võimalik lülituda, kus Pt ülemine elektrood valmistati pihustamise teel. Nad tegid ettepaneku, et Ag-pasta moodustab õhukese kilega kokkupuutepunktid, mis kutsub esile takistusliku ümberlülituse.

Sellegipoolest ei määra metalli / oksiidi / metalli kondensaatori struktuuris juhtivust üksnes esimese elektroodi / oksiidi liidese abil. Teise oksiidi / elektroodi liidese mõju on takistusliku lülituskäitumise uurimisel uuritud väiksema intensiivsusega. Eriti perovskiidi õhukeste kilede puhul, mis ladestuvad tavaliselt kõrgel temperatuuril, toimub põhja liides kõrgel temperatuuril, seetõttu on õhukese kile ja põhja elektroodi vaheline difusioon vältimatu. Seda täheldati sageli ferroelektrilise mälu valmistamisel 21, 22 . Ferroelektrilise õhukese kile ja alumises liideses oleva metallelektroodi vaheline difusioon halvendab ferroelektriliste õhukeste kilede jõudlust. Müügilolevates ferroelektrilistes mäluseadmetes hoitakse probleemist mööda oksiidi põhjaelektrood, mis on vajalik PZT õhukeste kilede vastupidavuse saavutamiseks. Seetõttu on põhjaliidese uurimine hädavajalik ka takistuslike lülitusseadmete jaoks, eriti kui isoleeriv oksiidikiht ladestub metallist põhjaelektroodile üsna kõrgetel temperatuuridel või kui sellele on vaja järgnevat lõõmutamise etappi.

Paljude oksiidiga õhukeste kilede sadestamiseks kõige populaarsem põhjaelektrood on Pt. Parema nakkuvuse saavutamiseks Pt-kihi ja SiO2 / Si-substraatide vahel sisestatakse tavaliselt Ti-kiht nende vahele. Saadud Pt-elektroodiga substraadil on Pt / Ti / SiO2 / Si struktuur. Kuna Pt on keemiliselt ja termiliselt stabiilne, pole Pt ja oksiidi õhukeste kilede vahel difusioon ega reaktsioon oodata. Adhesioonikihi aatomite, siin Ti-aatomite, difusioon muutub aga oluliseks, kui õhukese kile sadestumise temperatuur on kõrge või lõõmutatakse pärast sadestumist kõrgel temperatuuril. See hajumine võib kogu kondensaatori struktuuri elektrilisi omadusi märkimisväärselt mõjutada. Siiani on selles küsimuses tehtud vaid vähe tööd. Näiteks Yang jt. 23 teatasid, et TiO2 õhukeste kilede ladestamisel temperatuuril 250 ° C toimub Ti-aatomite termiline difusioon adhesioonikihist kogu Pt-kihis. Hajutatud Ti toimib juhtivate filamentide seemnetena ja juhib TiO2 takistust.

Meie eelnevas töös on teatatud mittelenduvast bipolaarsest takistuslikust lülitusest BiFeO 3 (BFO) õhukeste kilede korral, mis sadestati Pt / Ti / SiO 2 / Si substraatidele 24, 25 . BFO kuulub perovskite oksiidide rühma ja BFO õhukeste kilede sadestumistemperatuuri tuleb rangelt kontrollida, et vältida lisandifaaside teket 26 . Substraadi optimeeritud temperatuur on 550–650 ° C, selleks et kasvatada pulseeriva laser-sadestamise (PLD) abil SURFACE'i ülimalt automatiseeritud PLD-süsteemis. See temperatuur on palju kõrgem kui Yang et al. 23 Seetõttu on vaja uurida Ti difusiooni mõju pärast sellist kõrget sadestustemperatuuri BFO õhukeste kilede takistusele.

Tulemused

Kõigi toatemperatuuril mõõdetud proovide I – V kõverad on toodud joonisel 1 koos visanditega, mis kujutavad uuritud proovide vastavat BFO kondensaatorilaadset struktuuri sisetükkides. Ülemisele Au elektroodile rakendatakse alalisvoolu pinget, samal ajal kui alumine Pt elektrood on maandatud. Iga pingepunkti püsiv aeg alalisvoolu pühkimise ajal on 100 ms pinge astmetega 200 mV ja pingejada on: 0 → +7 V → 0 → −7 V → 0.

Image

a) I – V kõverad ca. 500 nm paksused BFO õhukesed kiled Pt (200 nm) / Ti (100 nm) / SiO2 / Si substraatidel sadestatud temperatuuril 650 ° C (Si-650, mustad tahked ruudud) ja 550 ° C (Si-550, punane tahke aine) ringid). b) I – V kõverad ca. 500 nm paksused BFO õhukesed kiled Pt (100 nm) / Ti (30 nm) / safiiril (Pt / Ti / safiir, mustad tahked ringid) ja Pt (100 nm) / safiiril (Pt / safiir, punased tühjad ringid) substraatidel deponeeritakse temperatuuril 650 ° C. (a, b) Ülemise kontakti suurus on 0, 03 cm 2 . (c) Si-650 I – V kõverad ~ 700 alalisvoolu tsükli jaoks. d) Vastupidavuskatse Si-650-ga. LRS ja HRS seadistatakse ja lähtestatakse vastavalt +6, 5 V ja -6, 5 V pingeimpulssidega ning takistus loetakse +2 V pingeimpulssidega.

Täissuuruses pilt

Nagu on näidatud joonisel 1a, mõjutab sadestumistemperatuur märkimisväärselt Pt / Ti / SiO2 / Si substraatidele ladestunud BFO õhukeste kilede I – V omadusi. Kõrgema sadestustemperatuuri (650 ° C) korral näitab I – V kõver tüüpilist bipolaarset takistuslikku lülituskäitumist (Si-650). Nagu nooled joonisel fig 1a näitavad, indutseerib positiivne diagonaal määratud toimingu, mis lülitab konstruktsiooni kõrge takistuse olekust (HRS) madala takistuse olekusse (LRS) ja negatiivne diagonaal nullib struktuuri LRS-ist HRS-i. SISSE / VÄLJA suhe, st R HRS / R LRS, on pingel +2 V. ~ 270. Resistiivne lülitamine on mittelenduv mõju, mida on tõestatud ka meie varasemates aruannetes 24, 25 .

Tuleb rõhutada, et enne I – V hüstereesi jälgimist pole kõrgemal pingel elektroforeerimist vaja. Elektroformeerimine on hävitav protsess, mis hõlmab seadmes 27 keemilist reaktsiooni ja termilisi kahjustusi ning elektroformimise ajal juhuslikult moodustatud juhtivkiud kahjustavad ka seadme toimivuse 28 ühtlust. Takistavate lülitusomaduste parandamiseks 29, 30, 31, 32, 33 on tehtud palju tööd sobivate elektroformeerimistingimuste uurimiseks . Tööstuslike rakenduste seisukohast on aga soodne, kui elektroformeerimisetapp on välistatud 27 . Käesolevas töös on ladestunud BFO õhuke kile (proov Si-650) algselt HRS-is. Selle saab lülitada otse LRS-ile esimese pinge pühkimisega vahemikus 0 kuni +7 V, siis pinge pühkimine vahemikus +7 V kuni 0 tekitab hüstereesi. Ilma elektroformeerimiseta näitab seade ühtlast jõudlust, erinevatel mälurakkudel salvestatud I – V kõverad näitavad sarnast hüstereesi 25 . Veelgi enam, sama kondensaatori raku pinge pühkimine annab peaaegu identsed I – V omadused. Nagu on näidatud joonisel 1c, viidi kestvustesti läbi alalisvoolu pinge kordamisega enam kui 500 tsükli vältel. Registreeritud I – V kõverad näitavad väga sarnast hüstereesikäitumist, mis näitab, et lülitus on korratav. Selgemalt väljendunud vastupidavustesti on näidatud joonisel 1d, kus konstruktsioon lülitatakse pingeimpulsside abil, st + 6, 5 V LRS jaoks ja –6, 5 V HRS jaoks, ning takistus loetakse pärast ümberlülitamist väikese pingega +2 V. Tulemus näitab, et struktuuri saab HRS-i ja LRS-i vahel lülitada üle 10 5 tsükli ilma tõrgeteta.

Pange tähele, et seadistamise ja lähtestamise ajal ei toimu takistuse järsku langust ega hüpet. See erineb enamikust takistuslikest lülitussüsteemidest, mis põhinevad binaarse oksiidi õhukesetel kiledel, kus seatud või lähtestatud toiming põhjustab takistuse järsku muutust 34, 35, 36, 37 . Mingil määral on resistentsuse järkjärguline moduleerimine BFO-põhises struktuuris pingega kooskõlas memuaari mudeliga, mille Chua pakkus välja 1971. aastal 38, kuigi takistuse muutus ei sõltu rangelt seadme kaudu voolavast laengust. Hiljuti võeti kasutusele praktiline juhend BFO takistusliku lülitusseadme kinnitatud valgustuse mõõtmiseks 39 . Resistentsuse järkjärgulise muutumise tõttu on näidatud, et iga BFO-põhise mäluelemendi 40 saab sisestada mitmetasandilisi takistusseisundeid. Mis veelgi huvitavam, see lülituskäitumine on potentsiaalselt kasulik kunstlike neuromorfsete vooluringide sünapside matkimiseks. Näiteks hiljuti on meie BFO-põhistes memriseerivates seadmetes teatatud lainekujudest juhitavast plastilisusest 41 .

Lisaks bipolaarsele takistuslikule lülitusele on Si-650 veel üks eripära selle alamkäitumine. Au ülemisele elektroodile rakendatav positiivne eelpinge on alaldi puhastamise ristmiku edasisuund, samal ajal kui Au negatiivne pinge kallutab ristmikku vastupidiselt. Rektifitseerimistegur on ± 20 juures ± 7 V. Takistuslülitusega mäluseadmete jaoks konstrueeritakse mäluelemendid risttehnikas. On hästi teada, et passiivne risttala kannatab vargsi, mis põhjustab tõsiseid lugemishäireid. Selle probleemi lahendamiseks on iga mäluelemendiga (1D1R) 42 järjestikku ühendatud diood. Si-650 alaldustunnus võib madala täiendava lekkevoolu tõttu selliste täiendavate dioodide rakendamise ära jätta. Veelgi olulisem on see, et Si-650 mäluaken asub positiivse diagonaali vahemikus, st I – V hüsterees ilmub positiivse eelpinge all, mis tähendab, et lugemistoiming teostatakse alati edasisuunalise eelpinge abil. See aitab tõhusalt ära hoida lugemishäireid, vähendades vargsi voolu. Suure signaalitundlikkuse ja kõrge mälutiheduse saavutamiseks tuleb vastupidist lekkevoolu veelgi vähendada 43 . Ja vastupidine lekkevool sõltub BFO õhukeste kilede pinnakaredusest, mida hiljem näidatakse.

Parandav käitumine näitab, et Si-650 transporti mõjutavad märkimisväärselt elektroodi / kile liidesed. Kuna BFO õhukestel kiledel on n-tüüpi juhtiv käitumine 44 ja võttes arvesse ristmiku edasisuunda, moodustub Au / BFO ülaliideses tõenäoliselt Schottky kontakt. BFO / Pt alumisel liidesel on palju madalam potentsiaalbarjäär ja sellel on kvaasioomilised kontaktiomadused. Kui ristmik on vastupidiselt kallutatud (negatiivne eelpinge), reguleerib Au / BFO / Pt kondensaatori transportimist peamiselt Schottky tõke, mis annab negatiivse eelpinge korral mittehüstereetilise I – V kõvera.

Seevastu täheldatakse, et puhastuskäitumine kaob, kui sadestumistemperatuuri alandatakse temperatuurini 550 ° C (Si-550), nagu näitab punane kõver joonisel fig 1a. Voolutugevust vähendatakse Si-650-ga võrreldes mõlema pinge polaarsuse korral rohkem kui ühe suurusjärgu võrra. Huvitavam on see, et pärast sadestustemperatuuri alandamist muutub konstruktsioon LRS-i muutmiseks positiivse nihke korral raskeks. Ehkki hüsterees on endiselt olemas, on sisse / välja lülitatud suhe ainult ~ 4 pingel + 2 V, mis on palju väiksem kui proovi Si-650 puhul täheldatud 270. Si-550 silmatorkava takistuse sisselülituse puudumine sadestumistemperatuuri alandamise tõttu on tõenäoliselt BFO / Pt põhjapinna kõrge barjääri kõrguse ja juhtivuse elektronide kontsentratsiooni vähenemise tõttu. Si-550 sümmeetriline I – V näitab, et Au / BFO ja BFO / Pt liideste barjäärikõrgused on võrreldavad. Seetõttu on resistiivne lülitus Si-650-s tugevas korrelatsioonis alaldustranspordi omadusega, mille põhjustavad erinevad barjäärikõrgused kahel elektroodi / BFO-liidesel. Bipolaarse takistusliku lülituse saamiseks Au / BFO / Pt kondensaatorites tuleb kahel elektroodi / BFO liidesel asümmeetriline struktuur, millel on erinevad barjäärikõrgused. Sellega seoses mängib substraadi temperatuur õhukese kile sadestumise ajal olulist rolli takistuslikul ümberlülitamisel. Kuigi Au / BFO ülemine liides on alati korrigeeriv, mõjutab BFO / Pt alumise liidese tõket sadestumistemperatuur märkimisväärselt.

Tekkivaks küsimuseks on kontakttõkke kokkuvarisemine proovis Si-650 BFO / Pt liideses, kus pidanuks tekkima ka Schottky kontakt Pt (5, 12–5, 93 eV) veelgi kõrgema tööfunktsiooni tõttu kui Au ( 5.10–5.47 eV). SiF-650 BFO / Pt-liideses barjääripotentsiaali puudumise mõistmiseks on EFTEMi Ti-elementaarkaardid toodud joonisel 2 proovi Si-550 (joonis 2a) ja Si-650 (joonis 2b) ristlõigete kohta ). Suurema heledusega oranž ala näitab Ti jaotust. Si-550 puhul saab Pt-kihi all olevat Ti-kihti selgelt eristada. Seevastu Ti-kihi serv on proovis Si-650 varjatud. Ja tuvastatakse mõned Ti 'ribataolised' piirkonnad, mis tungivad läbi ülaltoodud lamava Pt kihi, mis annab selge signaali, et teatud kogus Ti on difundeerunud Pt / BFO liidesesse BFO kasvu ajal temperatuuril 650 ° C. Neid tulemusi kinnitavad veel PLD kambris lõõmutatud Pt (200 nm) / Ti (100 nm) kihtide (ilma BFO sadestumise) RBS mõõtmised samades tingimustes kui proovide Si-550 ja Si-650 BFO sadestumisprotsessid. . Joonisel 3 näidatud RBS-spektrid näitavad, et Ti-signaal ja Pt-signaal paiknevad eraldi neitsi- ja lõõmutatud Pt / Ti-kihtide puhul vastavalt tagasiulatuva energia vahemikus 511–626 keV ja 713–1088 keV. Tänu tihendatud Ti difusioonile sulavad 650 ° C juures lõõmutatud Pt / Ti kihid Ti ja Pt signaali ning näitavad selgelt Ti ja Pt kihtide segunemist. Ti kontsentratsioon proovi Si-650 BFO / Pt liideses on 30%, sobitades RBS spektri SIMNRA simulatsioonikoodiga 45 .

Image

Ti-d, mis levib läbi Pt-kihi, on tähistatud nooltega punktis (b).

Täissuuruses pilt

Image

Termilised töötlused olid samad, mida rakendati proovidele Si-550 ja Si-650 (joonis 2). Nooled tähistavad Ti-signaali ja Pt-signaali tagasiulatuvate osakeste energiavahemikke.

Täissuuruses pilt

EFTEMi pildid näitavad, et Ti hajub läbi kogu Pt-kihi ja jõuab BFO / Pt-liidesesse, mis tekitab alumise liidese 23 lähedal raske n-tüüpi dopingupiirkonna. See on alumise liidese madala tõkkekõrguse võimalik põhjus, mis põhjustab Si-650 I-V kõverduse parandamist. Ti difusiooni rolli kinnitavad veel kaks võrdlusproovi, nagu on näidatud joonisel 1b. Ilma Ti-kihita (Pt / safiir) kasvatatud Pt / safiiril (Pt / safiir) kilel on sümmeetriline I – V kõver ja see ei ole takistavalt lülitatav. Pärast Ti-kihi sisestamist Pt ja safiiri (Pt / Ti / safiir) vahele võib seevastu näha puhastavat ja hüstereetilist I – V kõverat. Rektifitseerimistegur ja ON / OFF suhe on vastavalt ± 800 V juures ~ 800 ja + 54 V juures ~ 545, mis mõlemad on kõrgemad kui Si-650. On näha, et proovi Pt / Ti / safiiri vool on positiivse eelpinge (edasisuunalise eelpinge) korral võrreldav Si-650 vooluga, kuid negatiivse eelpinge korral (vastupidine lekkevool) voolu summutatakse peaaegu kahe suurusjärgu võrra, mis annab suurema rektifitseerimisteguri. Suurem sisse / välja lülitatud suhet Au / BFO / Pt / Ti / safiiris võrreldes Si-650-ga on tõenäoliselt seotud suurema rektifitseerimisteguriga, st väiksema vastuvoolu lekkevooluga.

Summutatud vastupidine lekkevool Au / BFO / Pt / Ti / safiiris on seletatav BFO siledama pinnaga enne Au elektroodi sadestumist. Nagu on näidatud joonisel 4, on BFO õhukeste kilede pinnakaredus Pt / safiiril (14, 8 nm, joonis 4c) või Pt / Ti / safiiril (16, 3 nm, joonis 4d) substraadil palju väiksem. Siledam BFO pind aitab luua kõrgema barjääri kõrguse ülemise elektroodi ja BFO õhukese kile vahelisel liidesel, kutsudes negatiivse eelpinge all esile palju väiksema lekkevoolu 46 . Seevastu Pt / Ti / SiO2 / Si substraatide õhukestel kiledel on suur pinnakaredus (Si-550 20, 9 nm ja Si-650 27 nm), järelikult suureneb vastupidine lekkevool.

Image

Skaneerimise pindala on 4 × 4 μm 2 ja värviskaala paremal küljel on 200 nm.

Täissuuruses pilt

Takistliku ümberlülituse põhimehhanism võib aidata paremini mõista Ti difusiooni olulist rolli. Neis takistuslikult lülitatavates proovides (Si-650 ja Pt / Ti / safiir) puhastatav alaldustransport näitab, et mõlemale elektroodile BFO õhukese kile sisseviidud elektronide vastandpinge polaarsused pole samaväärsed. Ti-difusioonist põhjustatud BFO / Pt-liidese madala barjääri tõttu süstitakse ettepoole suunatud positiivse eelpinge korral madala arvu Pt-elektroodist Au / BFO-liidese kahanemiskihti suur arv elektrone ja püütakse kinni püüniskeskused. Hiljuti avaldasid Luo jt. 47 teatasid, et hapnikuvabad töökohad toimivad elektronide püüdmiskeskustena ja vastutavad bipolaarse resistiivse lülituskäitumise eest nende Mn-legeeritud BFO õhukesetes kiledes. Meie õhukeste kilede puhul vähendab see püüdmisprotsess kahanemiskihi paksust ja seab struktuuri LRS-ile (joonis S1 (a)). Kuigi Au / BFO Schottky liidesega blokeeritakse elektronid vastupidise nihke korral (negatiivne diagonaal), rakendatakse üle selle kahanemiskihi suurt elektrivälja, mis aktiveerib kinni jäänud elektronid ja eraldab need vaesuskihist põhja Pt elektroodi. See kahandamisprotsess pikendab kahanemiskihti ja lähtestab seetõttu struktuuri HRS-i (joonis S1 (b)). See mehhanism selgitab ka seost rektifitseerimisteguri ja ON / OFF suhte vahel. Lähtestamistoiminguteks põhjustab suurem alaldustegur, põhimõtteliselt madala vastupidise lekkevoolu negatiivsete eelpingete korral vaesuskihil suurem elektriväli, mis on võimeline ioniseerima neutraalsemaid püüdmiskeskmeid ja saama paksema tühjenduskihi. Seetõttu saadakse Pt / Ti / safiiril suurem HRS-i takistus temperatuuril +2 V, võrreldes Si-650-ga, mis annab Pt / Ti / safiiris suurema sisse / väljalülituse suhte. Teisest küljest peab BFO / Pt alumisel liidesel olema seatud toimingu jaoks madal barjäärikõrgus, vastasel juhul saab PF-i alumisest elektroodist BFO õhukese kilega ettepoole eelpingestada ainult mõned elektronid, nagu näitasid Si- 550 ja Pt / safiir, millel on ohutu kontakt BFO / Pt alumisel liidesel ja millel on hüstereetilised I – V kõverad (joonis S1 (c) ja (d)). On tähelepanuväärne, et see laengu püüdmise mudel on kooskõlas takistuse järkjärgulise muutumisega lülitamise ajal. Kuna kahanemise paksust moduleerib pidevalt väline pinge, häälestatakse takistuse olekut järjest ilma järskude muutusteta. Hiljuti võeti vastu ka laenguülekande efekt orgaanilise mittelenduva mälu järjestikuse takistusliku lülituskäitumise tõlgendamiseks 43 .

Ülaltoodud analüüsi põhjal on esitatud Au / BFO / Pt kondensaatori struktuuril põhinevate takistuslike lülitusseadmete projekteerimisel arvessevõetav kriitiline tegur kahe elektroodi / kile liidese barjäärikõrguste vahelise erinevuse saamiseks. Perovskiidi oksiidi õhukeste kilede, näiteks BFO, korral põhjustab kõrge sadestumistemperatuur Ti difusiooni kogu Pt-kihis ja kutsub esile kvaasioomilise kontakti alumises liideses. Seetõttu on asümmeetrilise struktuuri konstrueerimine Schottky ülemise ja alumise oomilise kontaktiga palju lihtsam. Ti difusioon, mis kunagi oli metallist / ferroelektrilistest / metallist kihiliste konstruktsioonide valmistamisel tõsine probleem, osutub seega potentsiaalseks eeliseks takistuslike lülitusseadmete ehitamisel.

Pange tähele, et Ti difusioonil on meie Au / BFO / Pt kondensaatori bipolaarses takistuslikus lülituses oluliselt erinev roll kui Yang et al. 23 Pt / TiO x / Pt struktuuris. TiO x õhukese kile järgnevaks lülitamiseks on vaja eelvalmistamise etappi. Hajutatud Ti kontrollib hästi vormimist ja ümberlülitamist ning on saavutatav kõrge saagis. Vastupidiselt kaheksale hüstereetiline I – V on nende struktuuris tingitud hapnikuvabade töökohtade migratsioonist, mis moduleerib Schottky tõkke kõrgust Pt / TiO x ülemises liideses. Kuid „kaheksakordne” I – V hüsterees ilma eelneva elektroformeerimiseta protsessis meie Au / BFO / Pt kondensaatoris ei ole kooskõlas OV-de migratsioonimudeliga 25 . Lisaks väärib märkimist, et proovidel Si-650 ja Pt / Ti / safiiril on alati korrigeeriv käitumine, olenemata nende takistuse olekust. See erineb teistest asümmeetrilise tõkkejaotusega takistussüsteemidest, kus I – V näitab korrigeerivat käitumist HRS-is, sümmeetriat aga LRS 27-s . LRS-i korrigeeriv käitumine on oluline takistuste oleku väära tõlgendamise vältimiseks risttehnikas, kui LRS-i juures on naabermälurakk. Esitatud Au / BFO / Pt struktuuris LRS-i puhastavad I – V omadused viitavad ka asjaolule, et seatud toimimine on ebatõenäoline, kuna Au / BFO liidesesse tekivad kahanemiskihti tungivad kohalikud hõõgniidid, mis peaksid viima korrigeerimata I – V LRS-is 48 . Seetõttu alandab Ti difusioon meie struktuuris ainult tõkke kõrgust BFO / Pt põhja liidesel, kuid ei soodusta juhtivate radade moodustumist kogu BFO kihis.

Oluline on mainida, et romboeedriline ja ortorombiline / tetragonaalne BFO on ferroelektriline ja et polarisatsiooni pöördumine võib moduleerida liidese barjääri kõrgust ja kutsuda esile takistuste ümberlülitumist 15, 49 . Seetõttu tuleb esitatud Au / BFO / Pt struktuurides selgitada polarisatsioonilülituse rolli takistuslülituses. Proovi Si-650 Pt / Ti põhjaelektroodil ja Pt / safiiril oleva Pt põhjaelektroodi polarisatsioonipinge (P – V) ahelad on näidatud joonisel 5. Si-650 P – V on ümar ja asümmeetriline joonisel 1a näidatud suure lekkevoolu tõttu. Asümmeetrilised P – V omadused ja vähenev polarisatsioon üle ca. 9 V Si-650 näitab polarisatsiooni gradienti selles proovis 50 . Seevastu proovil Pt / safiiril on sümmeetriline P – V silmus ja maksimaalne polarisatsioon 22 V juures. See on tingitud madalast lekkevoolust, nagu on näidatud joonisel 1b, ja Pt / safiiri proovi sümmeetrilisest I – V kõverast. .

Image

Si-650 proovi polarisatsiooni mõõtmist halvendab lekkevool tugevalt.

Täissuuruses pilt

Proovis Si-650 Pt / Ti põhja elektroodil, kus toimub takistuslik lülitamine, on polarisatsiooni lülitus suure lekkevoolu tõttu väga ebaefektiivne. Kuid Pt / safiiri isoleerivas proovis, kus polarisatsiooni saab väga hästi lülitada, ei ole takistuslikku ümberlülitust täheldatud. Pealegi toimub takistuslik lülitus pingetel, mis on oluliselt madalamad kui sundpinge, mille võib järeldada jooniselt 5. Seetõttu järeldame, et polarisatsiooni pööramine ei domineeri meie BFO õhukeste kilede takistuslikku ümberlülitust. Vastupidava lülituse puudumine proovis Pt / safiir on tõenäoliselt mõlemal liidesel moodustatud Schottky kontaktide tõttu, järelikult on Au / BFO / Pt virna transport alati piiratud kahe Schottky liidesega, sõltumata pinge polaarsusest.

Arutelu

Oleme näidanud moodustamisvaba bipolaarset takistuslikku lülituskäitumist BiFeO 3- põhistes kondensaatoristruktuurides. Ilma elektroformimiseta näitavad struktuurid ühtlast jõudlust ja reprodutseeritavat lülitustoimingut nii alalispinge kui ka pingeimpulsside abil. Lülitus on ühendatud alaldustranspordi karakteristikuga, see isepuhastuv olemus võimaldab valmistada suure tihedusega risttalade massiive, millel on hiilimisvoolust väiksema ristkõne efektiga. Resistentsuse järkjärguline moduleerimine ümberlülitusprotsessi ajal on paljulubav mitmetasandiliseks andmete salvestamiseks ja kunstlike neuromorfsete võrkude ehitamiseks. Veelgi olulisem on see, et me näitasime, et Ti difusioonil on oluline roll asümmeetrilise liidese barjääride geomeetria moodustamisel, mis on kriitiline metalli / BiFeO 3 / metallkonstruktsioonide takistusliku lülituse jaoks. Kavandatud elektronlõksutamismudelit koos Ti-difusiooniga võib laiendada ka teistele takistuslikele lülitussüsteemidele ja see toimib üldpõhimõttena kõrgel temperatuuril sadestatud oksiidist õhukesetel kiledel põhinevate takistuslike lülitusseadmete kavandamisel.

Meetodid

BiFeO3 õhukesed kiled paksusega ~ 500 nm sadestati laserimpulss-sadestamise (PLD) abil Pt (200 nm) / Ti (100 nm) / SiO2 / Si substraatidele temperatuuril 650 ° C ja 550 ° C. Võrdluseks sadestati BFO õhukesed kiled ka Pt (100 nm) / Ti (30 nm) / safiir ja Pt (100 nm) / safiir substraatidele, kasutades sama temperatuuri 650 ° C. Substraadid kinnitati metallist proovihoidjaga ja substraati kuumutatakse takistussoojendiga. Pärast BFO õhukese kile sadestumist sadestati alammagnetoni abil 2, 6 Pa Ar atmosfääris pritsimisega Au kiht paksusega ~ 100 nm. Ümmargused ülaelektroodid suurusega 0, 03 mm 2 saadi pihustades läbi metallvarju maski. Ti difusiooni proovide põhjaelektroodis (Pt / Ti kihid) on analüüsitud energiafiltriga läbilaske-elektronmikroskoopia (EFTEM) ja Rutherfordi backscattering-spektromeetria (RBS) abil. EFTEM viidi läbi FEI Titan 80–300 ülekandeelektronmikroskoobiga ja RBS mõõdeti 1, 7 MeV He + ioonidega ja tuvastati tagasikande nurga all 170 °. BFO-filmide pinna morfoloogiat on uuritud aatomjõu mikroskoopia (AFM) abil, kasutades Veeco multimoodisüsteemi. Voolupinge (I – V) kõverad registreeriti Keithley 2400 allikamõõturi abil ja polarisatsioonipinge (P – V) ahelaid jälgiti Sawyer-Toweri vooluringi abil.

Täiendav teave

Wordi dokumendid

  1. 1

    Täiendav teave

    Täiendav teave

Kommentaarid

Kommentaari esitamisega nõustute järgima meie tingimusi ja kogukonna juhiseid. Kui leiate midagi kuritahtlikku või mis ei vasta meie tingimustele või juhistele, märkige see sobimatuks.