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氧化物异质结构中的电阻开关效应研究

【摘要】:近年来,金属-绝缘体-金属(MIM)结构中发现的电场/电流导致的电阻开关效应(RS effect)引起了研究者的广泛关注。RS效应涉及强场下的电输运等重要科学问题。此外,基于RS效应的电阻型随机存储器(RRAM)具有高存储密度、写入速度快、低功耗等优点,是下一代非易失存储器的有力竞争者。目前对金属和氧化物构成的MIM结构的RS效应研究比较多,研究者们提出了多种机制对实验现象进行解释,包括陷阱控制的空间电荷限制传导、导电细丝(conducting filament)的形成与断裂、耗尽层厚度变化等。但是这些机制中还有很多尚未明确需要进一步表征的地方,如陷阱的特征及其对RS效应和电输运的影响,导电细丝的具体构成及物理性质等。这些信息对深入理解RS效应的物理机制和优化器件性能是非常重要的。本论文针对以上问题,在多种氧化物异质结构中开展了RS效应研究,主要内容体现在以下两个方面: 利用脉冲激光沉积(PLD)方法在0.7wt%-Nb掺杂的SrTiO3(NSTO)单晶衬底上生长LaAlO3(LAO)薄膜,形成氧化物异质结构。采用交流阻抗技术多种表象下的测量方法和数据分析对该异质结构的RS效应进行了研究。结果表明实验中观察到的双极性RS效应来源于LAO/NSTO界面且电阻态和电容态均由陷阱填充状态决定。从时域角度和频域角度对低阻态的弛豫行为进行了描述,二者结果相同,且弛豫指数n随温度升高指数增大。我们还通过高低阻态在不同历史过程中的电输运行为对LAO/NSTO的电输运机制进行了研究。高低阻态的电输运过程由陷阱态决定,并强烈地依赖于历史过程。最终提出了一个基于陷阱态的物理模型,并对RS效应和历史依赖的电输运行为进行了解释。 对Au/NiO/Pt、Ti/HfO2/Pt、ITO/TiO2/ITO三种典型的氧化物异质结构的高低阻态进行了复阻抗谱测量,通过对比分析和定量计算,研究了不同类型导电细丝的阻抗特征。结果表明通过复阻抗谱分析可以获知导电细丝的断裂位置、断裂程度以及电特性等重要信息,是一种研究RS效应的便捷而有效的手段。我们运用这种手段对不同方法制备的HfO2进行了研究,探讨了不同起源的导电细丝对HfO2电阻开关效应机制的影响,并给出了不同生长工艺产生不同导电细丝的原因。

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