基于金属/氧化物异质结的阻变稳定性能及其机制研究

Metal/oxide heterojunction is a hot topic of research and development in the field of metal functional materials and device physics research. The resistive random access memory (RRAM) device based on metal/oxide heterojunction has the ability of multi-bit storage and the advantage of good stability. Embarking on the related studies is significant for advancing RRAM practical applications. In this proposal, the research objects are mainly based on the Metal/Doped-SrTiO3 heterojunction, and the attention is to develop the methods for improving the stability of resistance switching performance. By using different heterojunction fabrication techniques and interface treatments, the heterojunctions with different interface microstructures will be fabricated, and then the roles of interface microstructure on the stability improvement of resistance switching performance will be studied and revealed. Besides, by trying to fabricate the metal-based quantum-well that having resistive switching behaviors, the roles of quantum-well on the stability improvement of switching performance will be investigated. In addition, the "Read" and "Write" strategies will be investigated to improve the stability of the switching performance of metal/oxide heterojunction.

金属/氧化物异质结是金属功能材料和器件物理研究的热点课题之一。金属/氧化物异质结非易失性阻变器件具有多态存储能力、稳定性能较好，因此，开展相关研究对推进阻变存储器实用化进程具有重要意义。本项目选择以金属/掺杂钛酸锶氧化物异质结为主要研究对象，关注发展提高阻变性能稳定性的物理方法。通过采用多种金属/氧化物异质结制备技术与界面处理手段，实现对金属/氧化物异质结界面的空间微结构调控，揭示异质结界面微结构对阻变性能稳定性的重要作用。在此基础上，尝试制备与表征具有阻变效应的金属基异质结量子阱，揭示量子阱的阻变行为。另外还研究最佳"读"和"写"策略，以改善金属/氧化物异质结阻变器件的稳定性能。

非易失性阻变器件(RRAMs)具有速度快、集成度高、功耗小的优势，但仍因其稳定性的问题而无法得到实际应用。本项目选择具有较高阻变稳定性的金属/氧化物异质结多层膜结构和铁电隧道结，研究了它们的电阻开关性能并揭示了其物理机制，主要包括有：.1)揭示了Au/BiFeO3/SrRuO3异质结多种电阻开关物理机制的并存，揭示了在不同温度下双极电阻开关与铁电极化反转之间的关系，这对基于铁电隧道结的高性能电阻开关器件的设计有着重要的指导意义。.2)研究了基于两个反串联Au/BaTiO3/Nb:SrTiO3铁电隧道结的互补性电阻开关器件的器件性能和物理机制, 获得了具有自适应、开关比率可调和具有多态存储能力的高性能互补型多态电阻开关器件。该成果可用于超高密度三维交叉阵列的电阻式、电容式随机存取存储器和功能逻辑器件中。.3)在Au/DyMnO3/Nb:SrTiO3/Au中找到了高性能电阻开关效应和电容开关效应共存的现象. 其开关时间低于10ns, 保持时间大于10^5s, 电阻和电容开关比率在经过10^8次循环后让大于100倍。主要物理机制是载流子注入与释放引起Nb:SrTiO3/Au界面中势垒高度和宽度的改变，而Au/DyMnO3/Nb:SrTiO3则通过器件分压的改变起到了放大器件电容开关比的效果。这为制备高性能忆阻与忆容效应电子器件提供了新的设计方案。.4)揭示了庞磁阻材料La0.225Pr0.4Ca0.375Mn(1-x)RuxO3反常电致电阻效应，即：外电场虽增强了铁磁金属相但却导致了系统电阻的增加。研究表明，系统中由于Ru的掺杂而引入的Mn3+-Ru4+铁磁超交换作用与Mn3+-Ru4+反铁磁交换作用是产生这种效应的主要原因。