Studi tentang Memori Peralihan Perlawanan Multi-level dan Tegangan Foto Bergantung Keadaan Memori di Persimpangan Pt/Nd:SrTiO3
Abstrak
Pt/Nd:SrTiO3 (STO)/In perangkat dibuat dengan mendepositkan elektroda Schottky-contact Pt dan Ohmic-contact In pada STO kristal tunggal dengan doping Nd. Perangkat Pt/Nd:STO/In menunjukkan memori multi-level resistance-switching (RS) dan efek fotovoltase (PV) yang bergantung pada status memori, yang dapat dikontrol oleh lebar atau besaran pulsa yang diterapkan. Baik RS dan PV terkait dengan modulasi yang diinduksi bias dari penghalang antarmuka, baik dalam tinggi maupun lebar, pada antarmuka Pt/Nd:STO. Hasilnya membangun hubungan yang kuat antara efek RS/PV dan modulasi antarmuka Nd:STO yang dipicu oleh medan listrik yang diterapkan dan menyediakan rute baru dengan menggunakan tegangan sirkuit terbuka untuk penginderaan non-destruktif beberapa status memori non-volatil.
Latar Belakang
SrTiO3 (STO) adalah isolator celah pita besar (3,2 eV). Ini dianggap sebagai bahan perovskit model karena struktur kubiknya yang sederhana dalam kisaran suhu yang luas [1]. STO memiliki kinerja fotolistrik berlimpah yang dapat langsung dimanipulasi melalui doping dengan logam transisi tipe donor atau akseptor. Rentang aplikasi sistem STO sangat luas [2, 3]. Baru-baru ini, sistem STO telah menerima banyak perhatian ilmiah karena fenomena switching resistif (RS), yang dapat dianggap sebagai kandidat yang baik untuk membangun memori akses acak resistif (RRAM) [4, 5].
Perangkat RS berdasarkan STO biasanya berupa struktur logam/STO/logam. Sifat RS dari sistem STO, yaitu, dari STO yang didoping akseptor hingga donor, telah diselidiki secara luas. Mekanisme fisik yang berbeda telah diusulkan untuk menjelaskan perilaku switching. Untuk STO yang didoping-akseptor (misalnya, Fe dan Cr), karya ini menekankan perubahan sifat dalam curah kristal, di mana RS dikaitkan dengan migrasi kekosongan oksigen yang digerakkan oleh medan listrik, baik pengangkutan cepat kekosongan oksigen sepanjang dislokasi atau pembentukan susunan kekosongan oksigen di bawah tekanan listrik yang tinggi [6,7,8,9,10,11]. Di sisi lain, untuk perangkat RS berdasarkan STO yang didoping donor (misalnya, Nb), kontak tipe Schottky antara logam dan tipe-n Nb:STO diperlukan dan ditekankan oleh banyak pekerjaan. Namun, beberapa laporan telah menghubungkan RS dengan perubahan lapisan penipisan elektron pada sambungan logam/Nb:STO, yang disebabkan oleh stoikiometri oksigen dalam lapisan antarmuka tipis [12,13,14] atau oleh penyimpangan dari stoikiometri kation nominal. di wilayah dekat permukaan [15, 16] dan beberapa laporan menunjukkan bahwa penghalang antarmuka tetap tidak berubah selama proses RS, tetapi filamen konduktif memainkan peran penting untuk perubahan resistensi [17,18,19].
Mengingat poin yang dilaporkan di atas, jelas bahwa belum ada konsensus tentang mekanisme switching STO tipe donor. Dua tampilan antarmuka dan perubahan resistensi massal hidup berdampingan sejauh ini. Adapun alasan spesifik untuk RS, masih banyak mekanisme fisik yang dilaporkan. Mekanisme fisik yang tidak jelas menghalangi kemajuan RRAM berdasarkan materi STO. Untuk memperjelas mekanisme RS dan mengembangkan perangkat RRAM berdasarkan sistem STO tipe donor, ada baiknya mempelajari bahan STO yang didoping logam yang berbeda.
Sifat transpor elektronik STO dapat dimodulasi melalui doping dengan logam transisi [20]. Bandingkan dengan film tipis, kristal tunggal memiliki sifat homogen di seluruh area dan cacat fisika dan kimia yang mapan. Hingga saat ini, kami hanya menemukan kristal tunggal STO yang didoping donor dengan elemen Nb yang dilaporkan untuk perangkat RS. Untuk kristal tunggal STO yang didoping-Nd (Nd:STO), jari-jari ionik Sr
2+
, Ti
4+
, dan Nd
3+
(T
2+
) berturut-turut adalah 0,118, 0,0605, dan 0,0983 (0,129) nm, menunjukkan bahwa Nd
3+
dapat dengan mudah menggantikan Sr
2+
daripada Ti
4+
karena radius yang sama antara Nd
3+
dan Sr
2+
[21]. Situs substitusi ini berbeda dengan tipe-n Nb:STO. Jadi, kristal tunggal Nd:STO adalah bahan yang didoping donor dan pada konduktivitas tipe-n yang akan disertifikasi oleh efek Hall nanti. Kristal tunggal Nd:STO adalah STO tipe-n baru untuk RS, dan sejauh ini kami tidak menemukan hasil yang dilaporkan.
Secara umum diketahui bahwa efek fotovoltaik (PV) berhubungan dengan medan listrik internal [22,23,24,25,26]. Jadi, efek PV diharapkan bergantung pada status memori jika RS terutama ditentukan oleh lapisan penipisan di dekat antarmuka STO tipe-n dan logam. Sebaliknya, PV tidak relevan dengan status memori jika RS diinduksi oleh filamen konduktif. Dalam pekerjaan ini, kami membuat elektroda Schottky-contact Pt dan Ohmic-contact In pada kristal tunggal Nd:STO tipe-n. Memori RS dan efek PV dipelajari bersama untuk memperjelas mekanisme switching perangkat Pt/Nd:STO/In. Menariknya, hasilnya dengan jelas menunjukkan bahwa perangkat Pt/Nd:STO/In memiliki memori multi-level dan efek PV yang dikontrol status memori, yang dapat dimodulasi oleh bias switching. Hasilnya menunjukkan bahwa mekanisme bersama untuk RS dan PV berhubungan dengan modulasi penghalang antarmuka Pt/Nd:STO, yang diinduksi oleh injeksi dan perangkap atau pelepasan pembawa.
Metode
Kristal tunggal Nd:STO (100) dalam ukuran 5 mm × 5 mm × 0,5 mm dengan doping Nd 0,05 berat dipilih sebagai substrat. Elektroda In (elektroda jingga) langsung ditekan pada permukaan kasar Nd:STO untuk membentuk kontak Ohmic. Elektroda Pt dengan diameter 0,1 mm disemprotkan ke kristal tunggal Nd:STO melalui topeng bayangan (elektroda biru). Jarak antara dua elektroda Pt yang berdekatan adalah 0,5 mm. Sisipan pada Gambar. 2a menunjukkan konfigurasi perangkat Pt/Nd:STO/In dan In/Nd:STO/In. Karakteristik tegangan arus (I–V) dan RS diukur pada SourceMeter Keithley 2400. Medan listrik positif didefinisikan sebagai arus yang mengalir dari elektroda In ke Pt.
Efek hall dilakukan dengan menggunakan sistem pengukuran Ecopia HMS-3000 Hall untuk menyelidiki konsentrasi pembawa yang diinduksi oleh doping Nd. Struktur kristal STO diperiksa dengan difraksi sinar-x (XRD, Bruker, D8-Advance) menggunakan radiasi Cu Kα. Pengukuran hamburan Raman dilakukan pada spektrometer mikro-Raman confocal (Renishaw R-1000) dengan sinar laser tampak dengan panjang gelombang 632,8 nm sebagai sumber eksitasi.
Hasil dan Diskusi
Gambar 1a menunjukkan pola XRD dari kristal tunggal STO dan Nd:STO yang tidak didoping. Semua puncak sesuai dengan fase perovskit dan dapat diindeks ke grup ruang kubik Pm3m dengan konstanta kisi a ≈ 3.905 Å. Puncak tidak menunjukkan perubahan yang dapat diamati setelah implantasi Nd, menunjukkan bahwa doping Nd memiliki sedikit efek pada struktur massal. Spektrum Raman dari kristal tunggal STO dan Nd:STO yang tidak didoping diberikan pada Gambar 1b. Spektrum Raman dari STO yang tidak didoping menunjukkan dua pita lebar berbeda yang berasal dari hamburan orde kedua, yang berpusat pada 200–400 cm
−1
dan 600–800 cm
−1
dan termasuk dalam struktur perovskit kubik ideal. Posisi kedua band ini sesuai dengan literatur yang diterbitkan [27, 28]. Garis melebar dengan penurunan pita lebar orde kedua di Nd:STO juga diamati, menunjukkan sentrosimetri yang lebih lemah sebagai akibat dari gangguan lokal yang disebabkan oleh doping Nd. Dibandingkan dengan pola XRD, hasil Raman menunjukkan bahwa ada beberapa cacat struktural pada permukaan kristal tunggal Nd:STO, yang seharusnya diinduksi oleh doping Nd.
a Pola XRD dan b Spektrum Raman dari kristal tunggal STO yang tidak didoping dan STO yang didoping Nd
Secara umum diketahui bahwa kristal tunggal STO yang tidak didoping adalah bahan isolasi. Untuk menyelidiki dampak doping Nd pada sifat listrik kristal tunggal STO, efek Hall diukur. Hasil Hall menunjukkan bahwa kristal tunggal Nd:STO berada pada konduktivitas tipe-n, dan konsentrasi pembawa sekitar 2 × 10
19
cm
−1
. Konduktivitas tipe-n ini dapat dikaitkan dengan substitusi Nd
3+
ke Sr
2+
situs.
Sisipan Gbr. 2a menunjukkan ilustrasi skema perangkat In/Nd:STO/In dan Pt/Nd:STO/In. Aku –V karakteristik perangkat In/Nd:STO/In dan Pt/Nd:STO/In masing-masing diplot pada Gambar 2a, b. Tegangan sapuan diterapkan sebagai 0 V → 5 V → 0 V → − 5 V → 0 V dengan arus kepatuhan 50 mA. Perangkat In/Nd:STO/In memiliki I linear linier –V kurva (ditunjukkan pada Gambar. 2a) dan menunjukkan kontak Ohmik yang baik antara elektroda In yang ditekan dan kristal tunggal Nd:STO, tetapi tidak ada efek RS yang muncul, sedangkan perangkat Pt/Nd:STO/In menunjukkan sifat RS yang dapat dibalik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b. Ketika tegangan yang diberikan meningkat, transisi resistansi terjadi, arah transisi tergantung pada polaritas tegangan yang diberikan. Ketika tegangan yang diberikan menurun, status resistansi tinggi dan rendah (HRS dan LRS) akan dipertahankan, menunjukkan bahwa status resistansi stabil dan tidak mudah menguap setelah pembentukan. I . yang besar –V histeresis menunjukkan perangkat Pt/Nd:STO/In memiliki properti memori; perilaku dioda prototipikal menunjukkan bahwa penghalang Schottky terbentuk pada antarmuka Pt dan tipe-n Nd:STO dan mendominasi resistansi perangkat Pt/Nd:STO/In. Oleh karena itu, mudah untuk menyimpulkan bahwa efek RS dari perangkat Pt/Nd:STO/In berasal dari antarmuka Schottky antara kristal tunggal Pt dan Nd:STO. Hasil ini, RS bergantung pada antarmuka Schottky, sesuai dengan penelitian kami yang dilaporkan pada kristal tunggal tipe-n Nb:STO [29].
Aku –V karakteristik a In/Nd:STO/In dan b Pt/Nd:STO/In perangkat dalam rentang tegangan dari 0 V → 5 V → 0 V → − 5 V → 0 V dengan arus kepatuhan 50mA. Sisipan menunjukkan ilustrasi skema perangkat
Untuk mengevaluasi potensi penerapan perangkat Pt/Nd:STO/In dalam multi memori, efek lebar pulsa dan amplitudo pada status resistansi diselidiki dan ditunjukkan pada Gambar. 3a–c. Perangkat pertama-tama disetel ke LRS oleh pulsa 5-V dengan lebar 100 md dan kemudian diterapkan oleh pulsa + 5-V dengan lebar pulsa yang bervariasi masing-masing 100 ns, 10 s, dan 10 md. Resistansi dibaca pada 0,1 V. Transisi resistansi yang sesuai dari LRS ke status resistansi menengah atau HRS tercapai, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a. Gambar 3b menunjukkan siklus RS berturut-turut dari HRS ke LRS yang diinduksi oleh pulsa polaritas yang berlawanan. Hasilnya mengkonfirmasi bahwa resistansi multi-level dapat diperoleh dengan tegangan pulsa dengan lebar yang berbeda. Properti retensi dari setiap status resistansi diselidiki lebih lanjut, dan tidak ada perubahan signifikan dalam besaran resistansi yang diamati (ditunjukkan dalam file tambahan 1:Gambar S1). Gambar 3c menyajikan loop memori resistif non-volatil tipikal yang dikendalikan oleh tegangan pulsa. Perangkat Pt/Nd:STO/In pertama-tama disetel ke LRS dengan pulsa 3 V, diikuti dengan menyapu tegangan pulsa ke + 2 V (atau + 3, + 4, dan + 5 V) dan kembali ke 3 V dengan lebar pulsa 100-ms. Resistansi dibaca pada 0,1 V. Serangkaian status resistansi menengah dapat dicapai dengan menyesuaikan besaran pulsa. Dari Gambar. 3a–c, kami memperoleh hasil bahwa status resistansi multi-level perangkat Pt/Nd:STO/In dapat dicapai dengan menyesuaikan lebar atau besaran pulsa, yang menunjukkan bahwa perangkat berperilaku sebagai memristor [23, 30 ].
Siklus RS berturut-turut a dari LRS ke HRS dan b dari HRS ke LRS. Perangkat pertama kali disetel ke LRS (HRS) dengan pulsa 5 V (+ 5 V) dengan lebar 100 ms dan kemudian diterapkan oleh pulsa + 5 V (− 5 V) dengan lebar pulsa bervariasi 100 ns, 10 μs, dan 10 md. Transisi resistansi yang sesuai dari LRS (HRS) ke status resistansi menengah atau HRS (LRS). cR –V loop histeresis dikendalikan oleh tegangan pulsa. Perangkat Pt/Nd:STO/In pertama-tama disetel ke LRS dengan pulsa 3 V, diikuti dengan menyapu pulsa ke + 2 V (atau + 3, + 4, dan + 5 V) dan kembali ke 3 V dengan lebar pulsa 100-ms. Semua resistansi dibaca pada 0,1 V
Secara umum diketahui bahwa fotoeksitasi pembawa muatan terjadi ketika panjang gelombang yang diterangi sesuai dengan celah pita optik dari bahan aktif. Elektron dan lubang yang dihasilkan akan dipisahkan oleh medan listrik internal, yang mengarah pada efek PV [23,24,25]. Dalam kasus perangkat Pt/Nd:STO/In, jika status memori multi-level terutama ditentukan oleh lapisan penipisan di dekat antarmuka Pt/Nd:STO, efek PV diharapkan bergantung pada status memori perangkat. perangkat. Sebaliknya, PV tidak relevan dengan status memori jika lapisan deplesi tetap tidak berubah selama proses RS. Yang lebih menarik, kami menemukan efek PV yang bergantung pada kondisi memori untuk perangkat Pt/Nd:STO/In. Gambar 4a, b menunjukkan I –V kurva dalam rezim bias rendah (− 0,6 hingga + 0,6 V) setelah beralih dengan serangkaian pulsa dari + 1 hingga + 5 V dengan 100 md (beralih dari LRS ke status resistensi menengah dan ke HRS) di bawah pencahayaan terang dan gelap , masing-masing. Di bawah penerangan cahaya, I –V kurva HRS menunjukkan pergeseran penting di sepanjang sumbu tegangan, dan tegangan rangkaian terbuka (Voc) (tegangan pada arus nol) setinggi ~ 135 mV. Sesuai dengan serangkaian status resistansi menengah, Voc secara bertahap menurun dengan menurunnya resistansi perangkat dan kecil untuk LRS dapat diabaikan. Sedangkan sedikit pergeseran telah diamati untuk I –V kurva diukur dalam gelap. Hasil serupa diperoleh oleh Hu et al. [23]. Selanjutnya, metode uji untuk Voc dilaporkan oleh Shang et al. [24,25,26]. Menurut metode ini, Voc selanjutnya diukur pada LRS dan HRS. Seperti yang diharapkan, kenaikan tegangan dihasilkan oleh penerangan cahaya, dan Voc bergantung pada resistansi sambungan (lihat File tambahan 1:Gambar S2). Hasil di atas membuktikan bahwa besarnya Voc bergantung pada status memori Pt/Nd:STO/In perangkat.
Aku –V kurva dalam rezim bias rendah (− 0,6 hingga + 0,6 V) setelah beralih dengan serangkaian pulsa tegangan dari + 1 hingga + 5 V dengan 100 md (beralih dari LRS ke status resistansi menengah dan ke HRS) di bawah a penerangan cahaya dan b gelap, masing-masing
Memori multi-level dan efek PV yang bergantung pada status memori dari perangkat Pt/Nd:STO/In jelas menunjukkan bahwa status memori terutama ditentukan oleh lapisan penipisan di dekat antarmuka Pt/Nd:STO. Dengan kata lain, lebar dan tinggi penghalang Schottky di dekat antarmuka Pt/Nd:STO akan dimodulasi oleh tegangan sapuan. Menurut hasil Raman pada Gambar 1b, terdapat beberapa cacat (misalnya, kekosongan oksigen) pada permukaan Nd:STO. Ketika tegangan atau pulsa negatif diterapkan ke perangkat, elektron yang disuntikkan dari elektroda In terperangkap oleh cacat pada antarmuka Pt/Nd:STO. Elektron yang terperangkap menyebabkan penghalang Schottky lebih sempit dan lebih rendah, menghasilkan LRS. Sebaliknya, pada saat penyapuan bias positif datang, elektron yang terperangkap dilepaskan karena adanya daerah penipisan, sehingga terjadi HRS. Selanjutnya, distribusi spasial cacat harus tidak merata. Fermi pinning dapat terbentuk pada cacat densitas tinggi, sehingga HRS dan LRS dapat dipertahankan ketika bias yang diterapkan dihilangkan. Lapisan penipisan dapat disesuaikan dengan lebar atau besarnya pulsa, sehingga status memori multi-level diamati. Gambar 5 menunjukkan diagram skema untuk proses penangkapan atau pelepasan elektron pada antarmuka Pt/Nd:STO.
Diagram skema struktur pita energi dan keadaan antarmuka sistem Pt/NSTO/In pada HRS dan LRS. Bola berongga dan padat merah pada antarmuka masing-masing mewakili status antarmuka kosong dan terisi
Efek PV yang bergantung pada kondisi memori diinduksi oleh lebar dan tinggi yang berbeda dari penghalang antarmuka Pt/Nd:STO pada status memori yang berbeda. HRS dengan daerah penipisan yang lebih luas menghasilkan lebih banyak pasangan lubang elektron yang dihasilkan di daerah penipisan di bawah penerangan cahaya. Elektron yang dihasilkan foto didorong ke dalam Nd:STO massal oleh pita ke atas yang kuat menekuk di HRS, dan lubang terowongan melalui penghalang, menghasilkan Voc yang lebih tinggi. Sebaliknya, LRS dengan daerah penipisan yang lebih rendah dan lebih sempit menghasilkan Voc yang lebih rendah. Secara umum, Voc bergantung pada lebar dan tinggi penghalang antarmuka yang sesuai dengan status memori multi-level dari perangkat Pt/Nd:STO/In.
Perhatikan bahwa baik status memori dan efek PV menunjukkan ketergantungan yang sama pada bias switching, yang menunjukkan mekanisme bersama yang terkait dengan penipisan/akumulasi elektron pada antarmuka Nd:STO, mengungkapkan pentingnya penghalang antarmuka dan redistribusi muatan antarmuka (Gbr. 3d). 5). Efek PV diinduksi oleh elektron fotogenerasi dan lubang yang dipisahkan oleh medan listrik internal. Jadi, efek PV yang bergantung pada keadaan memori yang diamati pada perangkat Pt/Nd:STO/In bersaksi bahwa RS diinduksi oleh modulasi penghalang Schottky yang diinduksi bias pada antarmuka Pt/Nd:STO dan bukan oleh pembentukan filamen konduktif. Voc bergantung pada status memori, sehingga efek PV yang bergantung pada status resistansi menyediakan rute baru dengan menggunakan Voc untuk merasakan status memori perangkat RS selain pembacaan resistansi konvensional [23]. Rute pembacaan baru ini tidak merusak dan dapat diandalkan karena penerangan cahaya tidak akan mengubah status memori perangkat.
Kesimpulan
Singkatnya, kami telah menyelidiki karakteristik RS dan PV dari perangkat memristif berbasis kristal tunggal Nd:STO. Efek RS terkait dengan persimpangan Schottky di dekat antarmuka kristal tunggal Pt dan tipe-n Nd:STO. Status memori dapat dimodulasi oleh lebar atau besarnya pulsa. Efek PV yang bergantung pada kondisi memori dari perangkat Pt/Nd:STO/In diperoleh dengan tegangan switching. Efek pelengkap ini dikaitkan dengan modulasi yang diinduksi bias dari penghalang antarmuka, baik tinggi maupun lebar, pada antarmuka Pt/Nd:STO, yang disebabkan oleh injeksi pembawa dan proses trapping/detrapping pada antarmuka Pt/Nd:STO . Hasilnya membangun hubungan yang kuat antara efek RS/PV dan modulasi antarmuka Nd:STO yang dipicu oleh medan listrik yang diterapkan dan menyediakan rute baru dengan menggunakan Voc untuk penginderaan non-destruktif beberapa status memori non-volatil.
