金属掺杂钛酸锶单晶阻变机制的研究
作者单位：河南大学
学位级别：硕士
导师姓名：孙献文
授予年度：2017年
学科分类：08[工学] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）]
摘 要：随着科学技术的高速发展和人类不断变化的物质需求,信息技术的发展尤为关键,信息科技的高速发展促使存储器的更新换代更加频繁,现有的Flash存储器在存储性能方面已经显得‘力不从心’了,同时传统的存储技术在行业竞争中触碰到了微型化的局限,所以研制性能更加优越的下一代存储器迫在眉睫。为了获得新存储材料和技术,科研工作者做了大量的研究工作,发现在氧化物材料中存在电阻开关现象。氧化物电致阻变存储器具有结构简单、功耗低、高速擦写和极佳的尺寸缩小性等优势,应用前景十分光明。在阻变存储器上施加一个电信号,存储器的电阻会发生突变,在金属氧化物中(例如NiO,TiO,NbO,SrTiO,PLCMO,PCMO和YBCO)可以观察到这种现象。目前,已经有人提出一些机制来描述电致阻变效应,也存在很多解释电致阻变效应的理论,但这些理论一直处于争论当中,这些模型可以分成两种:体效应和界面效应。体效应包括:导电细丝模型,空间电荷限制效应和法兰克效应等。界面效应包括:离子(例如氧空位)的电化学迁移,载流子(空穴和电子)的俘获/去俘获,莫特变程跃迁理论。即使是同种材料的相同结构器件,对阻变机制的解释也不统一,这就导致了此类存储器的发展受到制约,也阻碍了它的实际应用。因此,揭示电致阻变的真正机理是当前一个非常重要的课题。在众多氧化物阻变材料中,具有钙钛矿结构的钛酸锶(SrTiO)材料优势明显:通过元素掺杂很容易实现对其组分和光电性能等调制。近年来,人们在多种元素掺杂的SrTiO(STO)中发现了优良的电致阻变现象,钙钛矿结构的掺钕钛酸锶(NdSTO)和掺铌钛酸锶(NSTO)单晶拥有稳定的化学性质和结构。建立较为简单阻变结构,方便分析阻变机制。通过不同浓度掺杂,可以在禁带中形成施主或受主能级,与某些金属接触易形成肖特基结或者欧姆结,通过电脉冲的激发使阻变材料置于不同的阻态。采用变温的手段对掺杂量不同的NSTO进行I-V和阻态的测试,探究温度和掺杂浓度对阻变的影响,确定了阻变发生的区域是在肖特基界面。本文进行了NdSTO单晶阻变现象和变温时NSTO的阻变现象研究如下:1.制备出Pt/NdSTO/In阻变器件,对器件的阻变一些性能进行了测试,比如I-V循环、多级存储、疲劳保持、时间效应对器件的影响、光照影响、变温等进行了研究,发现了其具备稳定阻变性能;分析总结了阻变发生的发生区域在肖特基结面,阻变原因是肖特基势垒中载流子的俘获和逃逸引起的;建立了肖特基势垒模型,初步探索出其内部的机制,对其阻变进行了分析。2.设计了一种变温探针台,极大地方便了变温测试,为我们实验提供了帮助。该装置的探针台独立设置并与测试台腔室内的电极可拆式连接,保证探针台可在测试台腔室内自由移动,在测量样品时,即使样品因尺寸太大或放置位置较偏斜,也可通过调整探针台位置,使样品处于测试台腔室的正中心位置,保证在合上测试台腔室上盖时也不会导致样品和探针的错动,保证样品电极的安全性。3.研究了不同浓度Nb掺杂的STO在变温环境下的阻变,可能是由于温度影响了s-In/NSTO界面的肖特基势垒,导致了高低阻态的变化,这也证明了阻变发生在肖特基界面层。
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