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基于金属氧化物的阻变存储器件的物理基础

近年来，人们发现一些纳米结构氧化物薄膜在电场作用下电阻发生可逆变化，即电致阻变效应，断电后数据仍能保留，可以作为下一代非易失的随机存取器(RRAM)。其特点和优势表现在：(1)可实现低电压、低功耗写入和读出；(2)具有多个电阻定态，有望获得高集成度；(3)与常规CMOS工艺兼容，这对于大规模的工业生产至关重要；因此，在性能、成本、制造和应用角度，RRAM器件具有成为通用存储器的技术优势，在数字信息技术等多个方面具有巨大应用前景。然而作为一种全新的物理现象,阻变效应的物理机制尚没有明确，在材料制备、工作机理方面还需要进行大量深入的研究。它所涉及的物理机制和材料结构都与以往的其它存储效应完全不同，涉及到界面效应、纳米尺度效应等基础研究；另一方面，纳米尺度结构材料制备技术目前还处于探索阶段，尤其是稳定性问题有待解决。我们在这个领域进行了一系列的深入研究，并取得初步的研究成果。

 

1.氧化物阻变的界面调控

有效调控氧化物界面结构，可以实现对阻变效应的调控。我们在Au/PCMO/Pt结构中，通过在一个界面处插入不同厚度的Ta薄膜，并控制其相应氧化物TaO的厚度，可以获得不同翻转电压的阻变结构器件。

图1(a)顶电极与PCMO界面处HRTEM图像, 插入了不同厚度的Ta	(b)翻转特性随Ta厚度的变化关系。

 

2.有机酞菁多层膜的电致阻变效应电阻效应

研究了基于有机酞菁多层薄膜结构的阻变效应，利用自建的高分辨电致发光系统，首次在实验上确认了有机高分子阻变效应是基于导电通道模型，器件的阻变是发生于局部的体效应，有多处导电通道存在。进一步的偏振光照明实验表明，导电通道位于有机薄膜晶畴边界处，与晶界处的缺陷密切关联。APL2015.

图2(a) 有机多层薄膜结构	(b）稳定的多次阻变翻转过程。

（c）发光强度随偏远变化关系。	（d)发光位置与晶界的关联

 

 

3.利用热电效应来研究阻变过程

 

4.TEM-SPM联合原位测试基于PrCaMnO的RRAM的电致电阻效应

利用TEM-SPM原位技术测试了PCMO的CER效应，结果表明存储材料在90nm尺度上仍然具有明显的存储效应(图3-4)。

图3-4(a)合作研发的TEM +SPM系统——（b）TEM+SPM系统测试的90纳米结I-V曲线

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