Mekanisme Kegagalan Pengalihan pada Sel Metalisasi yang Dapat Diprogram Berbasis Seng Peroksida

Hasil dan Diskusi

Analisis TEM dilakukan untuk mengetahui pengaruh perlakuan peroksida pada struktur dan morfologi film. Gambar 1a menunjukkan gambar penampang film ZnO (NT) yang ditumbuhkan pada substrat ITO. Ditemukan bahwa orientasi pertumbuhan film tegak lurus terhadap substrat seperti yang ditunjukkan pada gambar TEM resolusi tinggi (HR) pada Gambar 1b. Struktur kristal film diselidiki dengan menganalisis mikrograf transformasi Fourier cepat (FFT). dari Gambar. 1b, seperti yang digambarkan pada Gambar. 1c. Struktur kristal film ZnO adalah struktur wurtzite heksagonal (sesuai dengan JCPDS#36-1451). Struktur dan morfologi permukaan film ZnO berubah setelah perlakuan peroksida selama 1 menit (ST1), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1d. Dapat dilihat bahwa perawatan mengarah pada pembentukan lapisan ganda. Orientasi (002) yang disukai berkurang di lapisan atas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1e; yang menunjukkan bahwa terjadi transformasi fasa karena perlakuan peroksida. Gambar 1f menunjukkan analisis pola titik mikrograf FFT dari (e). Lapisan atas ditemukan struktur pirit kubik polikristalin ZnO₂ (cocok dengan JCPDS#77-2414). Dipastikan bahwa perlakuan peroksida menginduksi transformasi fase heksagonal-ke-kubik (h-ke-c); fenomena ini menguatkan dengan literatur sebelumnya [27, 28]. Perlakuan peroksida selama 3 menit (ST3) dapat menyebabkan oksidasi lebih lanjut ke daerah yang lebih dalam, seperti yang digambarkan pada Gambar 1g. Daerah yang ditransformasi meningkatkan ketebalan total lapisan resistif. Sisipan pada Gbr. 1g menunjukkan gambar HRTEM dari wilayah yang diubah. Analisis mikrograf FFT menunjukkan bahwa beberapa area kecil telah berubah menjadi fase amorf, seperti yang digambarkan pada Gambar 1h dan i. Saat waktu perlakuan meningkat menjadi 9 menit (ST9), transformasi fase terjadi di seluruh wilayah lapisan resistif, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1j. Akibatnya, lapisan resistif terdiri dari struktur lapisan tunggal dengan peningkatan ketebalan 70 nm. Inset pada Gambar. 1j menunjukkan gambar HRTEM dari lapisan resistif. Dapat diamati bahwa lapisan resistif terdiri dari distribusi acak ZnO kristal berukuran nano₂ partikel dalam matriks amorf, sebagaimana dikonfirmasi oleh analisis mikrograf FFT yang ditunjukkan pada Gambar. 1k dan l. Hal ini menunjukkan bahwa pengobatan peroksida diperpanjang dapat menyebabkan dekomposisi kristal. Kami menganggap bahwa radikal oksigen yang berlebihan menyebar ke dalam bahan kristal dapat merusak struktur kristal, sehingga berubah menjadi fase amorf [28, 39]. Pengukuran listrik dilakukan untuk mengevaluasi pengaruh perlakuan peroksida pada karakteristik switching resistif.

Analisis TEM dari (a –c ) kontrol, (d –f ) ST1, (g –i ) ST3, dan (j –l ) lapisan ST9. Sisipan di (g ) dan (j ) masing-masing adalah gambar TEM resolusi tinggi dari ST3 dan ST9

Gambar 2a menunjukkan gambar TEM penampang dari perangkat kontrol fabrikasi (NT). Ketebalan elektroda atas (Cu), lapisan resistif, dan elektroda bawah (ITO) masing-masing sekitar 400, 50, dan 265 nm. Elektroda bawah ITO sengaja dipilih karena perilaku kontak ohmik ZnO/ITO [28, 36]; dengan demikian, karakteristik pensaklaran hanya bergantung pada resistivitas lapisan pensaklaran. Skema struktur perangkat dan penyiapan pengukuran digambarkan pada Gambar. 2b. Tegangan bias diterapkan ke elektroda atas sedangkan elektroda bawah ditanahkan. Dilaporkan bahwa ZnO₂ memiliki resistivitas yang sangat tinggi, karena penghancuran cacat donor intrinsik dan pembentukan cacat akseptor selama pengobatan peroksida [28,29,30, 32, 35, 37]. Tes sapuan tegangan rendah dilakukan untuk menghitung resistansi perangkat murni, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c–f. Ditemukan bahwa perangkat yang dibuat dengan ZnO₂ lapisan menunjukkan peningkatan resistensi murni, hingga 6 sampai 7 urutan besarnya dibandingkan dengan perangkat tanpa ZnO₂ lapisan (perangkat kontrol). Perlakuan peroksida yang berlebihan (9 menit) menghasilkan sedikit penurunan resistensi perangkat ST9 (Gbr. 2f). Studi sebelumnya menunjukkan bahwa penurunan resistensi setelah pengobatan peroksida yang berlebihan mungkin karena kerusakan mikro seperti tergores parsial dan permukaan yang kasar [35, 37]. Namun, kerusakan permukaan seperti itu tidak diamati dalam analisis TEM kami. Namun demikian, pembentukan ZnO amorf₂ struktur terjadi pada Cu/ZnO₂ daerah antarmuka setelah 3 menit perawatan peroksida; transformasi fase kristal ke amorf dimulai dari daerah permukaan ZnO₂ film (ST3; Gbr. 1g–i). Kami percaya bahwa resistivitas ZnO amorf₂ lebih rendah dari kristal ZnO₂ . Sejak ZnO₂ struktur ST3 terutama kristal, oleh karena itu, resistivitas tetap tinggi (Gbr. 2e). Sebaliknya, transformasi fase kristal-ke-amorf terjadi di hampir semua wilayah film ST9 (Gbr. 1j-l); dengan demikian, ini menyebabkan sedikit penurunan resistivitas (Gbr. 2f). Disarankan bahwa jumlah batas butir lebih berperan daripada parameter ketebalan dalam menentukan resistivitas film ZnO; jumlah batas butir yang lebih tinggi menghasilkan arus bocor yang lebih rendah [40]. Oleh karena itu, kami berasumsi bahwa mekanisme fenomena penurunan resistensi pada ZnO amorf₂ mungkin mirip dengan kasus ZnO dimana penurunan jumlah batas butir menurunkan resistivitas. Meskipun demikian, studi rinci tentang sifat listrik dari ZnO₂ materi adalah topik menarik yang harus dieksplorasi di masa depan.

a Gambar TEM penampang perangkat Cu/ZnO/ITO. b Skema perangkat Cu/ZnO/ITO. Kurva IV khas dan perhitungan resistansi (c ) kontrol, (d ) ST1, (e ) ST3, dan (f ) perangkat ST9. g Membentuk kurva dari perangkat yang dibuat

Peningkatan resistensi murni bermanfaat untuk mengaktifkan karakteristik switching pada kepatuhan arus yang lebih rendah (CC) serta untuk mengurangi arus operasi perangkat. Pengaktifan karakteristik switching diperlukan untuk mengubah keadaan pristine menjadi low-resistance state (LRS), yang disebut sebagai forming. Gambar 2g menunjukkan proses pembentukan perangkat fabrikasi. Terlihat bahwa perangkat kontrol membutuhkan CC yang sangat tinggi sebesar 100 mA untuk proses pembentukan; sebaliknya, perangkat ST1, ST3, dan ST9 masing-masing hanya memerlukan 200, 100, dan 35 μA. Ditemukan bahwa tegangan pembentukan perangkat yang dibuat dengan perlakuan peroksida yang lebih lama cenderung meningkat karena peningkatan ketebalan total lapisan resistif.

Gambar 3 menunjukkan kurva I–V dan karakteristik daya tahan perangkat fabrikasi. Semua perangkat menunjukkan switching bipolar berlawanan arah jarum jam analog, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a–d. Setelah proses pembentukan, perangkat dapat dialihkan ke posisi resistansi tinggi (HRS) dengan menyapu bias tegangan negatif, yang disebut reset. Tegangan reset (Vreset) semua perangkat adalah 2 V. Selanjutnya, perangkat dapat dialihkan kembali ke LRS dengan menyapu bias tegangan positif (Vset) yang disebut sebagai set. Dispersi statistik Vset dapat menjelaskan hubungan antara parameter switching dan perilaku switching; [11] dengan demikian, probabilitas kumulatif diplot seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3e. Ditemukan bahwa koefisien variasi (standar deviasi (σ)/mean (μ)) cenderung meningkat seiring dengan bertambahnya waktu perlakuan peroksida, seperti yang ditunjukkan pada inset Gambar 3e. Hal ini menunjukkan bahwa perlakuan peroksida memodulasi parameter switching karena modifikasi bentuk atau ukuran jembatan penghantar [4, 41]. Untuk mengevaluasi keandalan perangkat, uji ketahanan dilakukan, dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar. 3f–i. Perangkat kontrol menunjukkan peralihan yang sangat stabil dengan rasio ON/OFF (jendela memori) sekitar 13 kali selama uji ketahanan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3f. Meskipun perangkat kontrol menunjukkan keseragaman yang baik dan jendela memori yang memadai [42], namun, arus operasi (100 mA) terlalu tinggi; yang tidak cocok untuk aplikasi daya rendah [43]. Karakteristik switching ditingkatkan setelah 1 menit perawatan peroksida (ST1), seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b dan g. Perangkat ST1 mampu beroperasi pada arus operasi yang jauh lebih rendah (dengan CC 200 μA) dan menunjukkan keseragaman yang cukup dengan jendela memori yang diperbesar kira-kira 46 kali. Peningkatan lebih lanjut dari waktu perawatan peroksida memungkinkan perangkat untuk beroperasi pada arus operasi yang lebih rendah; perangkat ST3 dan ST9 dapat beroperasi pada CC masing-masing 100 dan 35 μA, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3c dan d. Perhatikan bahwa penggunaan CC yang lebih tinggi untuk ST3 dan ST9 dapat mengakibatkan kerusakan perangkat. Meskipun perangkat ST3 dan ST9 beroperasi pada arus yang jauh lebih rendah dibandingkan dengan ST1, keseragaman pensaklaran menurun seiring dengan meningkatnya waktu perlakuan peroksida, seperti yang digambarkan pada Gambar 3h dan i. Namun demikian, semua perangkat yang diberi peroksida menunjukkan perilaku non-volatilitas yang sangat baik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3j; tidak ada fluktuasi signifikan yang diamati selama lebih dari 7000 s pada suhu kamar. Berdasarkan penelitian kami sebelumnya, ketidakstabilan switching adalah hasil dari kompetisi reduksi-oksidasi (redoks) antara jembatan konduktor multi dan cabang [10, 12, 41]. Kami percaya bahwa pembentukan jembatan tidak terbatas dikendalikan secara signifikan oleh struktur mikro dari lapisan resistif.

Kurva I–V tipikal dari (a ) kontrol, (b ) ST1, (c ) ST3, dan (d ) perangkat ST9. e Plot probabilitas kumulatif dari tegangan yang disetel (Vset). Karakteristik daya tahan (f ) kontrol, (g ) ST1, (h ) ST3, dan (i ) perangkat ST9. j Karakteristik retensi suhu kamar dari semua perangkat. Sisipkan di (e ) menunjukkan koefisien variasi distribusi Vset. Setiap titik data di (e ) mewakili 25 siklus berturut-turut

Gambar 4a–d menunjukkan skema mekanisme konduksi perangkat kontrol, ST1, ST3, dan ST9, masing-masing. Selama proses pembentukan dan pengaturan, logam Cu dioksidasi ketika bias positif diterapkan ke elektroda atas Cu (TE), dan ion Cu tertarik ke elektroda bawah ITO (BE) untuk mereduksi ke keadaan logam [8 ]. Proses ini menghasilkan pembentukan jembatan penghantar yang tumbuh dari BE ke TE; akibatnya, elektron dapat dengan mudah mengalir dari katoda ke anoda dan menghasilkan LRS (Gbr. 4a (i)). Selanjutnya, penggunaan bias negatif ke TE selama proses reset menghasilkan re-ionisasi jembatan konduksi Cu, dan ion Cu melayang kembali ke TE; karenanya, jembatan penghantar putus, dan HRS tercapai (Gbr. 4a(ii)). Karena ion Cu cenderung melayang di sepanjang batas butir di bawah medan listrik [22], oleh karena itu, orientasi butir tegak lurus dari lapisan resistif ZnO dari perangkat kontrol (Gbr. 1b) membantu pembentukan dan pecahnya jembatan terbatas [8 ]. Sebuah jembatan terbatas bermanfaat untuk memastikan bahwa pembentukan dan pecahnya jembatan penghantar terjadi di wilayah yang sama; dengan demikian, keseragaman switching tinggi ditunjukkan pada perangkat kontrol (Gbr. 3f). Namun, penggunaan CC tinggi (100 mA) menghasilkan pembentukan jembatan konduktor besar dan operasi arus tinggi. Di sisi lain, stabilitas switching untuk bagian perangkat ST1 dan ST3 menurun (Gbr. 3g dan h) karena perkembangan butir tidak beraturan (menghasilkan jumlah batas butir yang lebih tinggi) (Gbr. 1e dan g). Struktur mikro acak ZnO₂ lapisan mempromosikan pembentukan jembatan multi atau cabang di wilayah masing-masing. Karena area utama pada lapisan resistif ST1 sangat tegak lurus terhadap film ZnO, oleh karena itu, pembentukan jembatan multi atau cabang dapat dibatasi (Gbr. 4b(i)). Akibatnya, degradasi stabilitas switching kecil, dan kinerja ketahanan yang baik tanpa keadaan perantara (kesalahan data) ditunjukkan (Gbr. 4b (ii)). Sebaliknya, area signifikan dari ZnO yang berorientasi acak₂ di lapisan resistif perangkat ST3 menentukan bentuk jembatan konduksi dan menghasilkan pembentukan jembatan multi atau cabang (Gbr. 4c (i)). Oleh karena itu, pembentukan dan ruptur mungkin tidak terjadi di wilayah yang sama dan menyebabkan ketidakstabilan switching yang lebih serius (Gbr. 4c (ii)). Untuk kasus ST9, meskipun lapisan switching memiliki jumlah batas butir yang rendah karena transformasi fase kristal ke amorf, namun distribusi acak dari nanopartikel kristal menyebabkan ketidakteraturan struktur yang parah. Perhatikan bahwa karena nanopartikel dalam bentuk oksida, dengan demikian, tidak ada peningkatan medan listrik yang tinggi di sekitar partikel untuk mempromosikan kurungan jembatan konduktor seperti inklusi logam [44, 45]. Akibatnya, ion Cu hanyut secara acak, dan jembatan bercabang melintasi lapisan resistif terbentuk selama proses pembentukan dan pengaturan (Gbr. 4d (i)). Selanjutnya, proses pembentukan dan pecah tidak dapat dikontrol pada cabang (atau wilayah) yang sama dan mengakibatkan kegagalan set dan reset (Gbr. 4d (ii)); dengan demikian, ketidakstabilan switching yang parah ditunjukkan (Gbr. 3i).

Skema mekanisme konduksi (a ) kontrol, (b ) ST1, (c ) ST3, dan (d ) Perangkat ST9