氧化锌和氧化钒薄膜基的电致阻变性能及机理研究

摘要

在一个三明治结构金属电极/绝缘层或半导体层/金属电极(MIM)中,电极两端外加电场,器件的电阻会发生可逆变化,包括非易失性的阻变(每个电阻状态在撤掉电压后能够保持)和易失性的阻变(低阻态在小电压下或撤掉电压后又回到高阻态,其电阻态无法保持),非易失性的阻变特性能够被用作非挥发性存储,即阻变式随机存储器(RRAM)。RRAM器件因其结构简单,非破坏性读取,读写速度快,高保持性,低功耗,有望成为下一代非挥发性存储器。易失性的阻变特性可用于选择性器件防串扰或电开关,也很可能用于避雷系统,非常遗憾的是目前对这两种阻变行为的机制还存在很大的争议,所以研究其阻变机制是非常有意义的,本文主要进行了如下两方面的研究。
　　(一)金属电极的内禀属性及界面对ZnO薄膜阻变性能的影响
　　电极作为阻变器件结构不可或缺的一部分,其内禀属性(电负性,离子半径)以及与阻变层之间的界面状态对该器件的阻变性能有很大的影响,本部分工作通过使用典型电极(Pt, Au, Ni, Cu, Ag),变换器件结构,研究了电极材料和微结构如何影响阻变器件M/ZnO/M的阻变特性,包括高低阻状态的电阻(ΩLRS,ΩHRS),Set电压,reset电压(Vset,Vreset)和forming电压(Vforming)。该内容对理解阻变机制以及优化器件电极类型有一定的指导意义。
　　(二)金属电极的内禀属性及钒价态变化对V2O5薄膜基性能的影响
　　首次发现V2O5具有易失性的电致阻变行为,而且电极的内禀属性对其阻变行为有很大的影响。根据金属电极内禀属性的不同,可把电极分为惰性电极和活性电极。研究发现当使用惰性电极时,V2O5薄膜为易失性的阻变行为,这主要与V2O5的相转变相关,此时能够反映功能层在电场作用下的本征物理特性;当使用活性电极时,V2O5薄膜表现为非易失性的阻变行为,这是由于电极扩散,在薄膜内形成金属特性的导电通道,掩盖了V2O5本征的物理特性,表现为非易失性的阻变行为。
　　此外,由于 V具有多个价态,不同的价态必然伴随着不同的物理特性,而且不同的价态之间能量差异较小,所以在外电场作用下,薄膜内很容易发生氧化还原而使V变价,不同价态伴随着不同的电阻状态及不同的颜色,基于此,首次在 V2O5薄膜基的全固态透明器件上实现了阻变和颜色的同时变化。

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1 绪论

1.1引言

1.2 非易失性的电致电阻转变（RRAM）简介

1.3 易失性的电致阻变简介

1.4 本论文的研究意义，目标及内容

2 实验方法与表征

2.1器件制备方法

2.2 器件表征方法

3 金属电极的内禀属性及界面对ZnO薄膜阻变性能的影响

3.1引言

3.2对称结构的阻变特性

3.3 非对称结构的阻变行为

3.4 第一性原理计算

3.5本章小结

4 金属电极的内禀属性及钒变价对V2O5薄膜基性能的影响

4.1 V2O5薄膜的表征

4.2 V2O5薄膜基的电致电阻转变

4.3 V2O5薄膜基的电致阻变与变色

4.4 本章小结

5 工作总结与展望

5.1工作总结

5.2工作展望

致谢

参考文献

附录