Comportamento di commutazione della resistenza del film SrTiO3 depositato su uno strato atomico attraverso la possibile formazione di fasi Sr2Ti6O13 o Sr1Ti11O20

Scientific Reports volume 6, numero articolo: 20550 (2016) Citare questo articolo

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L'identificazione dell'evoluzione microstrutturale della fase conduttiva su scala nanometrica, come il filamento conduttore (CF), in molti dispositivi di commutazione di resistenza (RS) è un fattore cruciale per comprendere in modo inequivocabile i comportamenti elettrici dei dispositivi elettronici basati su RS. Tra i diversi sistemi di materiali RS, il sistema redox basato su ossido comprende la categoria principale di questi intriganti dispositivi elettronici, dove è stato suggerito che i cambiamenti locali, lungo le direzioni laterali e verticali dei film sottili, nella chimica dell'ossigeno siano il principale meccanismo RS. Tuttavia, esistono sistemi che coinvolgono fasi cristallografiche distintive come CF; la fase Magnéli in TiO2 è uno degli esempi più noti. La ricerca attuale riporta la possibile presenza di una fase conduttiva locale distintiva nel film sottile di SrTiO3 RS depositato su strato atomico. La fase di conduzione è stata identificata attraverso approfonditi studi al microscopio elettronico a trasmissione, che hanno indicato che la fase Sr2Ti6O13 o Sr1Ti11O20 carente di ossigeno era presumibilmente presente principalmente lungo i bordi dei grani di SrTiO3 dopo la commutazione del set unipolare nella struttura Pt/TiN/SrTiO3/Pt. Una caratterizzazione elettrica dettagliata ha rivelato che i campioni mostravano una tipica RS bipolare e complementare dopo il ripristino unipolare della cella di memoria.

Il dispositivo con interruttore di resistenza all'ossido (RS) basato su Redox può essere considerato la categoria principale dell'intrigante e futuristico dispositivo di memoria elettronica, chiamato memoria ad accesso casuale a commutazione di resistenza (RRAM). Poiché esiste un gran numero di sistemi di ossidi diversi con reazioni redox diverse e complesse, le caratteristiche elettriche dettagliate della RRAM a base di ossido dipendono in gran parte dai materiali costituenti, dagli elettrodi e dai processi di fabbricazione1,2,3,4,5. Con una tale diversità eccessiva, rispetto al sistema di materiali piuttosto ristretto per le memorie a cambiamento di fase, le leghe Ge-Sb-Te, sono in corso ricerche altamente attive sulle RRAM sia nel mondo accademico che nelle industrie. Tuttavia, tale diversità ha anche creato alcune sfide nel determinare la scelta migliore per la commercializzazione delle RRAM. In generale, i materiali RS a base di ossido possono essere classificati in due gruppi: uno che contiene una fase cristallografica distintiva come fase conduttiva locale e l'altro che non contiene tale fase. Un tipico esempio del primo è il TiO2, dove i materiali in fase Magnéli, che possono essere rappresentati da una formula generale di TinO2n-1 (n = 2, 3, 4…), formano il filamento conduttore (CF) e la resistenza unipolare di commutazione ( URS) del film di TiO2 può essere ben compreso dalla ripetuta rottura (termica) e dal ringiovanimento (guidato dal campo) dei Magnéli CF che collegano gli elettrodi superiore e inferiore6. Nella RS bipolare (BRS) del TiO2, la reazione di tipo redox, mediata dalla migrazione dell'ossigeno (posti vacanti) guidata dal campo elettrico all'interno della regione rotta di Magnéli CF, spiega bene i comportamenti elettrici dettagliati della RS7. Al contrario, l'HfO2 rappresenta il secondo gruppo di materiali RS a base di ossido, dove il sistema materiale manca di una fase cristallografica distintiva che può formare i CF locali. In questo caso, la reazione redox mediata dai posti vacanti di ossigeno (VO) guidata dal campo spiega bene il BRS osservato, il che spiega anche la difficoltà generale nell'osservare l'URS in questi sistemi materiali8. Lavoro recente di Wang et al. ha rivelato che la conduzione di tipo ohmico dello stato di bassa resistenza (LRS) nella cella HfO2 RS coinvolgeva CF semiconduttori, suggerendo la mancanza di una seconda fase distintiva, che potrebbe essere la conduttività metallica in questo sistema9. La possibilità di regolare con precisione la conduttività attraverso il processo di fabbricazione nonché il funzionamento elettrico in questi sistemi materiali, poiché mancano della caratteristica fase conduttiva, li rende favorevoli. Tuttavia, la commutazione casuale di queste fasi conduttrici, aggiungendo o perdendo punti difettosi, può provocare altri problemi critici come problemi significativi di rumore telegrafico casuale.