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金属基底层上NiO(111)外延薄膜的变温电阻开关特性与隧穿机制

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中国科学：物理学、力学、天文学 2019年第4期49卷 103-113页

作者：魏明龙江雪王颖玥赖芮涟王建波邱晓燕西南大学物理科学与技术学院重庆400715

利用射频磁控溅射方法在Pt层上制备了沿晶向外延生长的NiO薄膜,研究了其晶体微结构和变温电阻开关特性.微结构观测分析发现, NiO(111)薄膜与Pt层满足"立方-立方"晶格生长关系.在周期性外电场作用下,薄膜中氧空位的定向漂移和电极附近银... 详细信息

利用射频磁控溅射方法在Pt层上制备了沿晶向外延生长的NiO薄膜,研究了其晶体微结构和变温电阻开关特性.微结构观测分析发现, NiO(111)薄膜与Pt层满足"立方-立方"晶格生长关系.在周期性外电场作用下,薄膜中氧空位的定向漂移和电极附近银离子的氧化还原反应相互促进,使得在较低的翻转电压下即可在薄膜中形成周期性导通/截断的氧空位导电丝通道,从而使得Ag/NiO(111)/Pt存储单元在室温至80°C测试温度范围里的电流-电压曲线均呈现稳定的双极性电阻开关特性.运用Arrhenius作图法以及肖特基热激发隧穿公式拟合薄膜高阻态电流-温度曲线符合线性关系,表明薄膜高阻态漏电流符合肖特基热激发隧穿机制.

关键词： NiO(111)外延薄膜变温电阻开关特性隧穿机制

氧化镍外延薄膜的变温电阻开关特性和隧穿机制研究

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氧化镍外延薄膜的变温电阻开关特性和隧穿机制研究

作者：王瑞雪西南大学

学位级别：硕士

氧化物薄膜电阻开关存储器(ReRAM)具有快速的读/写速度(0 ns)、优异的耐受性(>106次读/写次数)和超长的存储稳定性(0年)等优点,而且结构简单,功耗低(十pJ),并兼容当前硅基半导体集成工艺,是现今最具应用潜力的新一代非易失性存储器之一... 详细信息

氧化物薄膜电阻开关存储器(ReRAM)具有快速的读/写速度(0 ns)、优异的耐受性(>106次读/写次数)和超长的存储稳定性(0年)等优点,而且结构简单,功耗低(十pJ),并兼容当前硅基半导体集成工艺,是现今最具应用潜力的新一代非易失性存储器之一。基于NiOx薄膜的ReRAM是迄今研究最深入的材料体系之一,然而,以往研究者多关注NiOx多晶薄膜的电阻开关特性,对Ni Ox外延薄膜,特别是金属基底上外延生长NiOx薄膜的研究相对甚少。此外,随着人类活动范围的延伸和现代科技的飞速发展,极端环境条件下ReRAM器件的稳定性研究也提上了日程。本文主要研究金属种子层上外延生长NiOx的薄膜电阻开关效应对温度的依赖性。首先利用射频磁控溅射方法沉积制备了富氧NiOx多晶(poly-NiOx)薄膜,研究了其电阻开关特性随测试温度的变化。Ag/poly-NiOx/Pt存储单元的电流-电压测试曲线呈现阈值型电阻开关特性:分别在2.1到2.4 V的正偏压范围和-2到-2.2 V的负偏压范围内观测到了高/低电阻态之间的稳定可逆跳变。随着测试温度的升高,负偏压范围的电阻开关现象在140℃基本消失,而正偏压范围内的电阻开关现象可维持到270℃。运用指数定律拟合室温下电流-电压曲线结果表明,薄膜隧穿电流属于缺陷主导的空间限制电流;运用Arrhenius作图法拟合的电流-温度曲线满足线性关系,表明薄膜隧穿电流随测试温度的变化符合肖特基热激发隧穿机制。在周期性电场作用下,从银电极扩散进入薄膜中的Ag离子在薄膜中的氧化还原反应导致存储单元呈现阈值型电阻开关特性。接下来,以MgO(100)基底上最优化制备条件下沉积制备的Pt(100)薄膜为外延种子层,沉积获得高取向的NiO(111)外延薄膜(epi-Ni Ox),三角锥形晶粒形成平整致密的膜面。Ag/epi-NiO(111)/Pt(100)存储单元的电流-电压曲线呈现出典型的双极性电阻开关特性:在160个稳定循环中,置/复位电压分别稳定在0.75和-0.9V;在-0.5V读取电压下,高/低电阻比大于5。指数定律拟合电压-电流曲线结果表明,薄膜隧穿电流机制符合缺陷主导的空间限制电流效应。随着测试温度的升高,其电阻开关现象可维持到80℃。运用Arrhenius作图法以及肖特基隧穿机制拟合高阻态电流-温度曲线满足线性关系,这表明高阻态漏电流随测试温度的变化符合肖特基热激发隧穿机制。在优化条件下,我们在Pt(100)种子层上沉积制备获得了膜面平整但嵌套纳米微孔的Ni O(100)外延薄膜。X射线Phi扫描和透射电镜测试结果证明epi-NiOx(100)与Pt(100)种子层满足“立方-立方”外延生长关系。Ag/epi-NiO(100)/Pt(100)存储单元呈现出优良的双极性电阻开关特性:在-0.4V读取电压下,高/低电阻比大于20,在连续测量的5000个稳定循环周期中置/复位电压一直稳定在0.6和-0.6V。其电阻开关特性在80℃测试温度下仍保持最优性能,可耐受130℃高温仍维持明显的电阻开关特性。低阻态电流-温度曲线的Arrhenius和肖特基隧穿机制拟合曲线符合线性拟合关系,这再次表明漏电流随测试温度的变化符合肖特基热激发隧穿机制。由于epi-NiOx薄膜为垂直上下电极的柱状晶粒结构,在周期性电场作用下,银上电极中的Ag离子沿着晶界扩散进入薄膜内部与薄膜中的电子发生氧化还原反应形成周期性导通/截断的导电桥通道,从而导致Ag/epi-NiOx/Pt存储单元呈现出比poly-NiOx薄膜更稳定,翻转电压大幅降低的双极性电阻开关特性,该存储单元有望应用于高温环境工作的新一代电阻开关存储器件。

关键词：外延NiOx薄膜变温电阻开关特性隧穿机制

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厚金属Ag膜的磁光法拉第旋转效应的增强

物理学报 2012年第16期61卷 262-266页

作者：董丽娟杜桂强杨成全石云龙山西大同大学固体物理研究所大同037009 山东大学威海分校空间科学与物理学院威海264209 上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室上海200092

为了更全面地认识和了解金属Ag的各种物理性质,对金属Ag的磁光性质进行了研究.利用光隧穿机制分析了由全介质光子晶体-厚金属Ag膜-全介质光子晶体组成的三明治结构的透射和磁光法拉第旋转效应.研究结果表明,由于电磁场局域在光子晶体和... 详细信息

为了更全面地认识和了解金属Ag的各种物理性质,对金属Ag的磁光性质进行了研究.利用光隧穿机制分析了由全介质光子晶体-厚金属Ag膜-全介质光子晶体组成的三明治结构的透射和磁光法拉第旋转效应.研究结果表明,由于电磁场局域在光子晶体和厚金属Ag膜的界面上,导致厚金属Ag膜透射和磁光法拉第旋转效应的同时增强.

关键词：光子晶体隧穿机制法拉第旋转效应

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Ⅲ-Ⅴ多结太阳电池隧道结模型的研究进展

微纳电子技术 2015年第9期52卷 545-553页

作者：陈帅杨瑞霞吴亚美河北工业大学电子信息工程学院天津300400

强调了隧道结模型在Ⅲ-Ⅴ多结太阳电池(MJSC)分析和模拟仿真中的重要性。介绍了隧道结的基本概念,并根据重要性程度,对隧道结主要的几种隧穿机制以及每种隧穿机制对隧道结J-V特性的影响进行了阐述。回顾了近年来Ⅲ-Ⅴ多结太阳电池隧道... 详细信息

强调了隧道结模型在Ⅲ-Ⅴ多结太阳电池(MJSC)分析和模拟仿真中的重要性。介绍了隧道结的基本概念,并根据重要性程度,对隧道结主要的几种隧穿机制以及每种隧穿机制对隧道结J-V特性的影响进行了阐述。回顾了近年来Ⅲ-Ⅴ多结太阳电池隧道结模型的研究进展,详细分析了4种最有代表性、最常用的隧道结模型:等效电阻隧道结模型、短路隧道结模型、分布电路隧道结模型和数值仿真隧道结模型,包括这4种模型各自的优缺点、建模机理和适用范围以及目前存在的问题和潜在的可优化点。同时,对多结太阳电池隧道结结构和模型的发展趋势进行了展望。

关键词：隧道结模型多结太阳电池(MJSC) 隧穿机制等效电阻隧道结模型短路隧道结模型分布电路隧道结模型数值仿真隧道结模型

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单态能级隧穿分子结：实验研究和理论建模

单态能级隧穿分子结：实验研究和理论建模

作者： Ether Martine Opodi 天津大学

学位级别：硕士

分子电子学的首要目标是研究通过分子结或微/纳米尺度器件中的电荷输运机制。我们依靠理论进行了实验方案的设计和实施,对输运机制进行了详细分析。单态模型(SLM)是一种采用隧穿输运机制分析电流-电压(I-V)特性的理论方法。单个分子轨... 详细信息

分子电子学的首要目标是研究通过分子结或微/纳米尺度器件中的电荷输运机制。我们依靠理论进行了实验方案的设计和实施,对输运机制进行了详细分析。单态模型(SLM)是一种采用隧穿输运机制分析电流-电压(I-V)特性的理论方法。单个分子轨道的存在证明了其模型在基本电荷传输研究中用于识别系统物理信息的合理性。在本论文中,我们基于SLM的模型对分子结中的隧穿输运进行了以下分析研究。(1)我们利用胺作为锚定基团来调节耦合,探索了隧道结的结构和传输特性以及寡苯烯和寡乙酰骨架,以支持单能级状态。由于条件的完善,在金表面形成了一层由不同长度的胺锚定分子组成的紧密、均匀的自组装单分子膜。通过使用共晶Ga In(EGa In)作为顶部电极构建分子结来进行电学表征,并揭示了隧穿机制。然后,我们通过拟合实验I-V曲线并应用SLM模型来确定结的相关参数,即耦合强度和势垒高度。低聚联苯胺和低聚并苯胺的隧穿势垒高度(能量偏移)和耦合强度相当。电子耦合的效率依赖于锚定基团,而对分子能级排列的贡献较小。(2)我们对三种不同的单态隧穿模型的性能进行了详细的模拟研究,并应用Landauer公式和两个近似解析公式分析了分子结中电荷输运机制。我们对模拟的I-V曲线和从模型拟合提取的物理信息与文献中实验数据进行对比,并对其实用性和局限性进行评价。这两种近似解析方法既不适合小耦合强度也不适合低能量偏移;高偏压下也偏离了准确的结果。这意味着如果模型没有在其内在约束下正确部署,则两种近似解析方法所提取的物理参数可能是错误的。因此,我们认为它们可能传递了关于系统的错误物理信息。最后,我们构建了一个实用性的图作为指导,分别指出了两种近似分析模型有效分析分子结的工作条件。

关键词：分子器件电荷输运隧穿机制单态模型分子结 Landauer公式自组装单层膜

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超薄铁电薄膜的制备及隧穿机理研究

超薄铁电薄膜的制备及隧穿机理研究

作者：何苗湖北大学

学位级别：硕士

超薄铁电薄膜由于具有量子隧穿效应和电阻反转效应,可用于制备铁电存储器件,广泛应用于军事、卫星通信、汽车设计等领域,是当前存储器领域研究的热点。本文采用磁控溅射法制备超薄BaTiO3(BT)铁电薄膜,研究薄膜微结构和电性能,探讨超薄... 详细信息

超薄铁电薄膜由于具有量子隧穿效应和电阻反转效应,可用于制备铁电存储器件,广泛应用于军事、卫星通信、汽车设计等领域,是当前存储器领域研究的热点。本文采用磁控溅射法制备超薄BaTiO3(BT)铁电薄膜,研究薄膜微结构和电性能,探讨超薄铁电薄膜的导电及隧穿机理。取得的主要实验结果如下：1、研究了TiO2-x过渡层对电极质量的影响,形貌测试表明没有TiO2-x的底电极由于Ti层氧化后结构不平整导致溅射薄膜后其表面出现山丘状亮光斑点,成分测试表明亮点主要成分是Pt。用TiO2-x来代替Ti作为电极与衬底之间的过渡层后,Pt电极表面不再出现山丘状突起,因此获得表面平整的Pt底电极,有利于制备超薄铁电薄膜。2、采用磁控溅射法制备超薄BT铁电薄膜,通过正交设计方法摸索优化工艺参数。通过直观分析法得出氧氩比为1/3、工作气压为4Pa、衬底温度为630℃、退火温度为730℃时薄膜剩余极化值最大。通过分析各工艺参数对薄膜剩余极化值的影响,结果表明工作气压可以进一步优化。最后确定工作气压为3Pa制备的BT薄膜微结构和电性能最好。因此,在功率、靶基距一定情况下,确定优化工艺为O2/Ar为1/3、工作气压为3Pa、衬底温度为630℃、退火温度为730℃。3、研究了不同厚度BT超薄铁电薄膜的微结构。XRD晶相分析表明薄膜均为(111)方向取向生长的钙钛矿结构。采用谢乐公式计算了不同厚度薄膜的晶粒大小约为46nm。SEM结果表明薄膜界面清晰、结合紧密、厚度均匀。测试了BT超薄铁电薄膜的电滞回线,发现随着厚度的减小,薄膜剩余极化值和矫顽场均急剧降低。Ⅰ-Ⅴ曲线测试表明薄膜中先出现单极性电阻反转现象,然后出现双极性电阻反转现象。4、建立了Pt/BT/Pt隧道结和Pt/BT/SrTiO3:Nb隧道结的等效电路,分析了电子隧穿过程。将电流-电压曲线作不同线性拟合,探讨单极性开关和双极性开关形成的物理机制。结果表明Pt/BT/Pt隧道结中存在SCLC机制、Schottky发射、P-F发射三种物理机制,Pt/BT/SrTiO3:Nb隧道结中存在Schottky发射、P-F发射两种物理机制。

关键词：超薄铁电薄膜隧道结极性开关隧穿机制

含损耗材料的一维光子晶体的增强吸收特性研究

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含损耗材料的一维光子晶体的增强吸收特性研究

作者：刘斌山东大学

学位级别：硕士

自从Yablonovitch和John分别提出光子晶体的概念以来,这类介电常数或者折射率周期排列构成的人工微结构受到了人们的广泛关注。光子晶体按组成材料,可分为全介质光光子晶体和金属-介质光子晶体。光子晶体的基本特征是存在光子禁带,落在... 详细信息

自从Yablonovitch和John分别提出光子晶体的概念以来,这类介电常数或者折射率周期排列构成的人工微结构受到了人们的广泛关注。光子晶体按组成材料,可分为全介质光光子晶体和金属-介质光子晶体。光子晶体的基本特征是存在光子禁带,落在此频率范围内的电磁波不能透过该结构,对应的物理机制是布拉格散射。相对于二三维结构的光子晶体,一维结构由于结构简单,易于制备,是其中的研究热点。本论文,在可见和近红外波段,主要针对含有损耗材料的一维复合多层膜结构进行相关的理论和实验研究。主要内容可分为以下两部分,分别对应第二和三章的内容。本文第二章主要研究了光波在由金属和全介质光子晶体组成的异质结构的多重增强吸收特性。近几年,一种新型的表面局域模式一光学Tamm态受到了人们的关注。与传统的表面态相比,光学Tamm态不仅可以在TE和TM两种偏振下被激发,而且波矢在光锥以内(包括正入射)也可以被激发。利用这种新型的光学表面态,并满足隧穿条件,光波在厚金属膜表面的反射率等于零,从而实现特定频率光波的增强透射,甚至完全吸收。但是近几年比较多的工作,集中于理论上研究基于光学Tamm态实现单通道或者多种窄带增强吸收,实验工作较少。我们针对一种厚金属膜和有限介质光子晶体中间插入一层特定厚度的介质材料后形成的光子异质结构,利用磁控溅射和离子束辅助沉积技术,主要在实验上研究了其中的多重光学吸收态,证明通过改变插入介质层的厚度,可以实现单通道或者多重窄带近完全吸收,即光学吸收态的个数与插入层的厚度有很大的依赖关系。理论模拟和实验测量结果符合很好。利用这样的结构可以制备新型的窄带光吸收器件。在第三章中,我们研究了光波在含有ITO薄膜作为缺陷的光子晶体的增强吸收性质。我们首先理论设计了含有ITO缺陷的对称与非对称光子晶体结构,实现了窄带的近完全吸收。相比金属这类高损耗系数的材料具有的介电常数不容易调解的特性,金属掺杂氧化物比如ITO、GZO等材料被发现具有类金属的性质,并且这类材料的等离子体频率和折射率参数可以通过改变掺杂浓度进行调节,因此含掺杂金属氧化物光子晶体的光学特性受到了人们的关注。在本章节中,我们在光子晶体中插入ITO缺陷,形成非对称结构,实现了光波的近完全吸收。并与ITO作为缺陷的对称光子晶体的结果做了比较,通过分析光波在两种结构中的场强分布,发现非对称结构中光波在ITO层的场强局域强度明显高于光波在对称结构中的场强局域强度,因此使得非对称结构对缺陷频率光波的吸收率接近1。另外,我们也发现,如果光波从非对称结构的另一侧入射时,缺陷波长光波的吸收率接近0,因此,这样的结构可以用来制作单频光波的单向吸收器。

关键词：光子晶体完全吸收隧穿机制单向吸收

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超薄BaTiO_3铁电薄膜隧穿机理研究

科技信息 2013年第9期 26-28页

作者：何苗章天金湖北大学材料科学与工程学院湖北武汉430062 功能材料绿色制备与应用教育部重点实验室湖北武汉430062

采用磁控溅射法制备超薄BaTiO3铁电薄膜,分析了电子隧穿过程,将电流-电压曲线作不同线性拟合,探讨单极性开关和双极性开关形成的物理机制。结果表明Pt/BaTiO3/Pt隧道结中存在SCLC机制、Schottky发射、P-F发射三种物理机制。

关键词： BaTiO3 超薄铁电薄膜极性开关隧穿机制