Eksplorasi Pengalihan Hambatan Multi-Level dan Fotovoltaik di Juntungan Pt/Nd:SrTiO3 untuk Aplikasi Memori Lanjutan
Abstrak
Perangkat Pt/Nd:SrTiO3 (STO)/In difabrikasi dengan menyetorkan elektroda Pt kontak Schottky dan elektroda In kontak Ohmik pada kristal tunggal STO dengan doping Nd. Perangkat Pt/Nd:STO/In menunjukkan memori pengalihan hambatan multi-level (RS) dan efek fotovoltaik (PV) yang bergantung pada status memori, yang dapat dikontrol dengan lebar atau magnitudo pulsa yang diterapkan. Keduanya RS dan PV terkait dengan modulasi hambatan antarmuka yang diinduksi oleh bias, baik ketinggian maupun lebarnya, di antarmuka Pt/Nd:STO. Hasil ini menetapkan hubungan kuat antara efek RS/PV dan modulasi antarmuka Nd:STO yang diicu oleh medan listrik yang diterapkan, serta menyediakan jalur baru dengan menggunakan tegangan open-circuit untuk sensing non-destruktif berbagai status memori non-volatil.
Latar Belakang
SrTiO3 (STO) adalah insulator dengan jarak band besar (3,2 eV). Ia dianggap sebagai bahan perovskit model karena struktur kubik sederhana dalam rentang suhu luas [1]. STO memiliki kinerja fotoelektrik yang melimpah yang dapat langsung diatur melalui doping dengan logam transisi tipe donor atau penerima. Rentang aplikasi sistem STO sangat luas [2, 3]. Baru-baru ini, sistem STO telah mendapat perhatian ilmiah yang besar karena fenomena pengalihan hambatan (RS), yang dapat dianggap sebagai kandidat yang baik untuk memori acak resistif (RRAM) [4, 5].
Perangkat RS berbasis STO biasanya memiliki struktur logam/STO/logam. Sifat RS sistem STO, yaitu dari STO tipe penerima ke donor, telah banyak dikaji. Berbagai mekanisme fisika telah diusulkan untuk menjelaskan perilaku perpindahan. Untuk STO tipe penerima (misalnya, Fe dan Cr), karya-karya menekankan perubahan properti dalam bulk kristal, di mana RS disebabkan oleh migrasi rongga oxygen yang diacu oleh medan listrik, baik transportasi cepat rongga oxygen sepanjang dislokasi atau pembentukan array rongga oxygen di bawah tekanan listrik tinggi [6,7,8,9,10,11]. Di sisi lain, untuk perangkat RS berbasis STO tipe donor (misalnya, Nb), kontak tipe Schottky antara logam dan Nb:STO tipe n diperlukan dan ditekankan oleh banyak karya. Namun, beberapa laporan telah menghubungkan RS dengan perubahan lapisan depletasi elektron dalam juntungan logam/Nb:STO, yang disebabkan oleh stoikiometri oxygen dalam lapisan antarmuka tipis [12,13,14] atau oleh penyimpangan dari stoikiometri kation nominal di daerah permukaan [15, 16] dan beberapa laporan menunjukkan bahwa hambatan antarmuka tetap tidak berubah selama proses RS, tetapi filamen konduktif memainkan peran penting untuk perubahan hambatan [17,18,19].
Dalam pandangan poin-poin yang dilaporkan di atas, jelas bahwa belum ada kesepakatan tentang mekanisme perpindahan STO tipe donor. Dua pandangan tentang perubahan hambatan antarmuka dan bulk masih bersamaan sejauh ini. Seperti halnya alasan spesifik RS, masih banyak mekanisme fisika yang dilaporkan. Mekanisme fisika yang tidak jelas menghambat kemajuan RRAM berdasarkan bahan STO. Untuk mengklarifikasi mekanisme RS dan mengembangkan perangkat RRAM berdasarkan sistem STO tipe donor, menguntungkan untuk mempelajari bahan STO yang di-dope logam yang berbeda.
Sifat transportasi elektronik STO dapat diatur melalui doping dengan logam transisi [20]. Bandingkan dengan tipis film, kristal tunggal memiliki properti yang homogen di seluruh area dan fisika serta kimia defek yang sudah terbentuk. Sampai sekarang, kami hanya menemukan kristal tunggal STO tipe donor dengan elemen Nb yang dilaporkan untuk perangkat RS. Untuk kristal tunggal STO yang di-dope Nd (Nd:STO), jari-jari ionik Sr²⁺, Ti⁴⁺, dan Nd³⁺ (Nd²⁺) adalah 0,118, 0,0605, dan 0,0983 (0,129) nm, masing-masing, menunjukkan bahwa Nd³⁺ dapat dengan mudah menggantikan Sr²⁺ daripada Ti⁴⁺ karena jari-jari yang serupa antara Nd³⁺ dan Sr²⁺ [21]. Lokasi substitusi ini berbeda dari Nb:STO tipe n. Jadi, kristal tunggal Nd:STO adalah bahan tipe donor dan konduktivitas tipe n yang akan disertifikasi oleh efek Hall nanti. Kristal tunggal Nd:STO adalah STO tipe n baru untuk RS, dan kami tidak menemukan karya yang dilaporkan sejauh ini.
Secara umum diketahui bahwa efek fotovoltaik (PV) terkait dengan medan listrik internal [22,23,24,25,26]. Jadi, efek PV diharapkan bergantung pada status memori jika RS terutama ditentukan oleh lapisan depletasi dekat antarmuka logam dan STO tipe n. Sebaliknya, PV tidak relevan dengan status memori jika RS diinduksi oleh filamen konduktif. Dalam karya ini, kami memfabrikasi elektroda Pt kontak Schottky dan elektroda In kontak Ohmik pada kristal tunggal Nd:STO tipe n. Memori RS dan efek PV dikaji bersama untuk mengklarifikasi mekanisme perpindahan perangkat Pt/Nd:STO/In. Menariknya, hasilnya jelas menunjukkan bahwa perangkat Pt/Nd:STO/In memiliki memori multi-level dan efek PV yang dikontrol oleh status memori, yang dapat diubah oleh bias perpindahan. Hasilnya menunjukkan bahwa mekanisme bersama untuk RS dan PV terkait dengan modulasi hambatan antarmuka Pt/Nd:STO, yang diinduksi oleh injeksi dan tangkapan atau pembebasan pembawa muatan.
Metode
Kristal tunggal Nd:STO (100) dengan ukuran 5 mm × 5 mm × 0,5 mm dengan doping Nd 0,05 wt% dipilih sebagai substrat. Elektroda In (elektroda oranye) langsung ditekan pada permukaan kasar Nd:STO untuk membentuk kontak Ohmik. Elektroda Pt dengan diameter 0,1 mm disetorkan pada kristal tunggal Nd:STO melalui masker bayangan (elektroda biru). Jarak antara dua elektroda Pt yang berdekatan adalah 0,5 mm. Inset pada Gambar 2a menunjukkan konfigurasi perangkat Pt/Nd:STO/In dan In/Nd:STO/In. Karakteristik arus-tegangan (I–V) dan RS diukur menggunakan Keithley 2400 SourceMeter. Medan listrik positif didefinisikan sebagai arus yang mengalir dari elektroda In ke Pt.
Efek Hall dilakukan menggunakan sistem pengukuran Hall Ecopia HMS-3000 untuk menyelidiki konsentrasi pembawa muatan yang diinduksi oleh doping Nd. Struktur kristal STO diperiksa dengan difraksi sinar-X (XRD, Bruker, D8-Advance) menggunakan radiasi Cu Kα. Pengukuran pemancaran Raman dilakukan pada mikro-spektrometer Raman konfokal (Renishaw R-1000) dengan cahaya laser terlihat panjang gelombang 632,8 nm sebagai sumber eksitasi.
Hasil dan Pembahasan
Gambar 1a menunjukkan pola XRD kristal tunggal STO tanpa doping dan Nd:STO. Semua puncak sesuai dengan fase perovskit dan dapat diindeks ke grup ruang kubik Pm3m dengan konstanta jaringan a ≈ 3,905 Å. Puncak-puncak tidak menunjukkan perubahan yang terlihat setelah implantasi Nd, menunjukkan bahwa doping Nd hanya berpengaruh kecil pada struktur bulk. Spektrum Raman kristal tunggal STO tanpa doping dan Nd:STO ditunjukkan pada Gambar 1b. Spektrum Raman STO tanpa doping menunjukkan dua pita lebar yang berbeda yang berasal dari pemancaran orde kedua, yang berpusat pada 200–400 cm⁻¹ dan 600–800 cm⁻¹ dan termasuk struktur perovskit kubik ideal. Posisi kedua pita ini sesuai dengan literatur yang diterbitkan [27, 28]. Garis lebar dengan pita lebar orde kedua yang berkurang pada Nd:STO juga diamati, menunjukkan sentrisimetri yang lebih lemah sebagai akibat dari ketidakteraturan lokal yang diinduksi oleh doping Nd. Membandingkan dengan pola XRD, hasil Raman menunjukkan bahwa terdapat beberapa defek struktural pada permukaan kristal tunggal Nd:STO, yang seharusnya diinduksi oleh doping Nd.
a Pola XRD dan b spektrum Raman kristal tunggal STO tanpa doping dan STO yang di-dope Nd
Secara umum diketahui bahwa kristal tunggal STO tanpa doping adalah bahan insulator. 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 muatan sekitar 2 × 10¹⁹ cm⁻¹. Konduktivitas tipe n ini dapat dikaitkan dengan substitusi Nd³⁺ ke lokasi Sr²⁺.
Inset pada Gambar 2a menunjukkan ilustrasi skematis perangkat In/Nd:STO/In dan Pt/Nd:STO/In. Karakteristik I–V dari kedua perangkat In/Nd:STO/In dan Pt/Nd:STO/In ditampilkan pada Gambar 2a, b, masing-masing. Sweeping tegangan diterapkan sebagai 0 V → 5 V → 0 V → − 5 V → 0 V dengan arus kepatuhan 50 mA. Perangkat In/Nd:STO/In memiliki kurva I–V linier (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, sementara perangkat Pt/Nd:STO/In menunjukkan properti RS reversibel, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b. Ketika tegangan yang diterapkan meningkat, transisi hambatan terjadi, arah transisi bergantung pada polaritas tegangan yang diterapkan. Ketika tegangan yang diterapkan menurun, status hambatan tinggi dan rendah (HRS dan LRS) akan dipertahankan, menunjukkan bahwa status hambatan stabil dan non-volatil setelah terbentuk. Historis I–V yang besar menunjukkan bahwa perangkat Pt/Nd:STO/In memiliki properti memori; perilaku dioda prototipis menunjukkan bahwa hambatan Schottky terbentuk di antarmuka Pt dan Nd:STO tipe n dan mendominasi hambatan 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 Pt dan kristal tunggal Nd:STO. Hasil ini, RS bergantung pada antarmuka Schottky, sesuai dengan karya kami yang dilaporkan sebelumnya pada kristal tunggal Nb:STO tipe n [29].
Karakteristik I–V dari a perangkat In/Nd:STO/In dan b Pt/Nd:STO/In dalam rentang tegangan 0 V → 5 V → 0 V → − 5 V → 0 V dengan arus kepatuhan 50 mA. Inset menunjukkan ilustrasi skematis perangkat
Untuk mengevaluasi potensi aplikasi perangkat Pt/Nd:STO/In dalam memori multi, pengaruh lebar dan amplitudo pulsa terhadap status hambatan dikaji dan ditunjukkan pada Gambar 3a–c. Perangkat pertama kali diatur ke LRS dengan pulsa − 5 V dengan lebar 100 ms kemudian diberikan pulsa + 5 V dengan lebar pulsa yang bervariasi sebesar 100 ns, 10 μs, dan 10 ms, masing-masing. Hambatan dibaca pada 0,1 V. Transisi hambatan yang sesuai dari LRS ke status hambatan 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 dengan polaritas berlawanan. Hasilnya mengonfirmasi bahwa hambatan multi-level dapat diperoleh dengan pulsa tegangan dengan lebar yang berbeda. Properti retensi setiap status hambatan selanjutnya dikaji, dan tidak ada perubahan yang signifikan pada magnitudo hambatan yang diamati (ditunjukkan pada Berkas Tambahan 1: Gambar S1). Gambar 3c menunjukkan loop memori resistif non-volatil tipis yang dikontrol oleh pulsa tegangan. Perangkat Pt/Nd:STO/In pertama kali diatur ke LRS dengan pulsa − 3 V, diikuti dengan sweeping pulsa tegangan ke + 2 V (atau + 3, + 4, dan + 5 V) dan kembali ke − 3 V dengan lebar pulsa 100 ms. Hambatan dibaca pada 0,1 V. Serangkaian status hambatan menengah dapat dicapai dengan menyesuaikan magnitudo pulsa. Dari Gambar 3a–c, kami memiliki hasil bahwa status hambatan multi-level perangkat Pt/Nd:STO/In dapat dicapai dengan menyesuaikan lebar atau magnitudo pulsa, 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 diatur ke LRS (HRS) dengan pulsa − 5 V (+ 5 V) dengan lebar 100 ms kemudian diberikan pulsa + 5 V (− 5 V) dengan lebar pulsa yang bervariasi sebesar 100 ns, 10 μs, dan 10 ms, masing-masing. Transisi hambatan yang sesuai dari LRS (HRS) ke status hambatan menengah atau HRS (LRS). c Loop histeresis R–V yang dikontrol oleh pulsa tegangan. Perangkat Pt/Nd:STO/In pertama kali diatur ke LRS dengan pulsa − 3 V, diikuti dengan sweeping pulsa ke + 2 V (atau + 3, + 4, dan + 5 V) dan kembali ke − 3 V dengan lebar pulsa 100 ms. Semua hambatan dibaca pada 0,1 V
Secara umum diketahui bahwa fotoeksitasi pembawa muatan terjadi ketika panjang gelombang yang diilhami cocok dengan jarak band optik 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 depletasi dekat antarmuka Pt/Nd:STO, efek PV diharapkan bergantung pada status memori perangkat. Sebaliknya, PV tidak relevan dengan status memori jika lapisan depletasi tetap tidak berubah selama proses RS. Lebih menarik lagi, kami menemukan efek PV yang bergantung pada status memori untuk perangkat Pt/Nd:STO/In. Gambar 4a, b menunjukkan kurva I–V dalam regime bias rendah (− 0,6 hingga + 0,6 V) setelah perpindahan dengan serangkaian pulsa dari + 1 hingga + 5 V dengan 100 ms (perpindahan dari LRS ke status hambatan menengah dan ke HRS) di bawah iluminasi cahaya dan gelap, masing-masing. Di bawah iluminasi cahaya, kurva I–V dari HRS menunjukkan pergeseran yang signifikan sepanjang sumbu tegangan, dan tegangan open-circuit (Voc) (tegangan pada nol arus) sebesar ~ 135 mV. Sesuai dengan serangkaian status hambatan menengah, Voc secara berturun-turun menurun seiring berkurangnya hambatan perangkat dan tidak terlupakan kecil untuk LRS. Sedangkan sedikit pergeseran yang diamati untuk kurva I–V yang diukur dalam gelap. Hasil yang sama 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 iluminasi cahaya, dan Voc bergantung pada hambatan juntungan (lihat Berkas Tambahan 1: Gambar S2). Hasil di atas membuktikan bahwa magnitudo Voc bergantung pada status memori perangkat Pt/Nd:STO/In.
Kurva I–V dalam regime bias rendah (− 0,6 hingga + 0,6 V) setelah perpindahan dengan serangkaian pulsa tegangan dari + 1 hingga + 5 V dengan 100 ms (perpindahan dari LRS ke status hambatan menengah dan ke HRS) di bawah a iluminasi cahaya dan b gelap, masing-masing
Memori multi-level dan efek PV yang bergantung pada status memori dari perangkat Pt/Nd:STO/In secara tidak menyesatkan menunjukkan bahwa status memori terutama ditentukan oleh lapisan depletasi dekat antarmuka Pt/Nd:STO. Dengan kata lain, lebar dan ketinggian hambatan Schottky dekat antarmuka Pt/Nd:STO akan diubah oleh sweeping tegangan. Menurut hasil Raman pada Gambar 1b, terdapat beberapa defek (misalnya, rongga oxygen) pada permukaan Nd:STO. Ketika tegangan negatif atau pulsa diterapkan pada perangkat, elektron yang diinjeksikan dari elektroda In ditangkap oleh defek di antarmuka Pt/Nd:STO. Elektron yang tertangkap mengarah pada hambatan Schottky yang lebih sempit dan lebih rendah, menghasilkan LRS. Sebaliknya, selama sweeping bias positif yang datang, elektron yang tertangkap dilepaskan karena keberadaan daerah depletasi, menghasilkan HRS. Selanjutnya, distribusi spasial defek seharusnya tidak merata. Pinning Fermi mungkin terbentuk pada defek dengan kepadatan tinggi, sehingga HRS dan LRS dapat dipertahankan ketika bias yang diterapkan dihapus. Lapisan depletasi dapat disesuaikan oleh lebar atau magnitudo pulsa, sehingga status memori multi-level diamati. Gambar 5 menunjukkan diagram skematis proses tangkapan atau pembebasan elektron pada antarmuka Pt/Nd:STO.
Diagram skematis struktur band energi dan status antarmuka sistem Pt/NSTO/In pada HRS dan LRS. Bola merah berongga dan padat di antarmuka mewakili status antarmuka yang tidak terisi dan terisi, masing-masing
Efek PV yang bergantung pada status memori diinduksi oleh lebar dan ketinggian yang berbeda dari hambatan antarmuka Pt/Nd:STO pada status memori yang berbeda. HRS dengan daerah depletasi yang lebih lebar menghasilkan lebih banyak pasangan elektron-lubang yang dihasilkan di daerah depletasi di bawah iluminasi cahaya. Elektron fotogenerasi didorong ke dalam bulk Nd:STO oleh lentur band ke atas yang kuat dalam HRS, dan lubang menembus hambatan, menghasilkan Voc yang lebih tinggi. Sebaliknya, LRS dengan daerah depletasi yang lebih rendah dan lebih sempit menghasilkan Voc yang lebih rendah. Secara umum, Voc bergantung pada lebar dan ketinggian hambatan antarmuka yang sesuai dengan status memori multi-level perangkat Pt/Nd:STO/In.
Perhatikan bahwa baik status memori maupun efek PV menunjukkan ketergantungan yang serupa terhadap bias perpindahan, yang menunjukkan mekanisme bersama yang terkait dengan depletasi/akumulasi elektron pada antarmuka Nd:STO, yang mengungkapkan pentingnya hambatan antarmuka dan redistribusi muatan antarmuka (Gambar 5). Efek PV diinduksi oleh elektron dan lubang fotogenerasi yang dipisahkan oleh medan listrik internal. Jadi, efek PV yang bergantung pada status memori yang diamati dalam perangkat Pt/Nd:STO/In membuktikan bahwa RS diinduksi oleh modulasi hambatan Schottky yang diinduksi oleh bias pada antarmuka Pt/Nd:STO dan bukan oleh pembentukan filamen konduktif. Voc bergantung pada status memori, jadi efek PV yang bergantung pada status hambatan ini menyediakan jalur baru dengan menggunakan Voc untuk sensing status memori perangkat RS selain pembacaan hambatan konvensional [23]. Jalur bacaan baru ini non-destruktif dan andal karena iluminasi cahaya tidak akan mengubah status memori perangkat.
Kesimpulan
Ringkasnya, kami telah menyelidiki karakteristik RS dan PV perangkat memristif berbasis kristal tunggal Nd:STO. Efek RS terkait dengan juntungan Schottky dekat antarmuka Pt dan kristal tunggal Nd:STO tipe n. Status memori dapat diubah oleh lebar atau magnitudo pulsa. Efek PV yang bergantung pada status memori dari perangkat Pt/Nd:STO/In diperoleh oleh tegangan perpindahan. Efek komplementer ini dikaitkan dengan modulasi hambatan antarmuka yang diinduksi oleh bias, baik ketinggian maupun lebarnya, di antarmuka Pt/Nd:STO, yang disebabkan oleh proses injeksi dan tangkapan/pembebasan pembawa muatan pada antarmuka Pt/Nd:STO. Hasil ini menetapkan hubungan kuat antara efek RS/PV dan modulasi antarmuka Nd:STO yang diicu oleh medan listrik yang diterapkan serta menyediakan jalur baru dengan menggunakan Voc untuk sensing non-destruktif berbagai status memori non-volatil.
