Co,Mn掺杂ZnO异质结的电阻开关效应及其对磁性的影响

Resistance random access memory (RERAM), which is based on resistance switching, is of great potential in practical applications. Electrically control of magnetic properties is a very important issue in magnetic memory and spintronics. However, the physical mechanism of resistance switching is still under debate and the attempt to control the magnetic properties of dilute magnetic semiconductor oxides meet great technical challenge. On the other hand, the observation of room temperature ferromagnetism and resistance switching in ZnO and its heterojunctions make ZnO an ideal candidate in the research field of spintronics and resistance switching. In this proposed project, we will study the interface microstructure, resistance switching characteristics and magnetic properties of ZnO-based heterojunctions. The influence of interface microstructure and carrier density on the resistance switching characteristics will be investigated. Great effort will be made on the modulation of magnetic properties with resistance switching. It is expected that the successful implementation of the project will shed light on the mechanism of resistance switching and the origin of room temperature ferromagnetism of ZnO. It will also provide a new way to control the magnetic properties of ZnO.

电阻随机存储器(ReRAM)具有巨大的应用潜力, 电阻开关效应是ReRAM的基础, 而材料磁性的电致调控在磁存储器和自旋电子学等方面都有重大的应用价值。但是，人们对于电阻开关效应的微观物理机制还没有达成共识，在稀磁半导体氧化物磁性的电致调控方面也遇到了很大困难。另一方面，室温铁磁性及异质结中电阻开关效应的发现使得掺杂ZnO成为自旋电子学和电阻开关效应研究的理想体系之一。因此，本项目拟以Mn:ZnO 和Co:ZnO为材料，综合运用透射电镜、扫描电镜、光电子能谱、电容和磁测量等手段对基于掺杂ZnO的异质结界面微结构、电阻开关特性和磁性进行研究，探索异质结界面微结构和载流子浓度对电阻开关特性的影响, 重点研究电阻开关效应对磁性的调控作用等问题，本项目的顺利实施有助于阐明电阻开关效应的微观物理机制、澄清掺杂ZnO室温铁磁性的来源，也将为实现对掺杂ZnO的磁性的电致调控提供新的思路

电阻开关效应是 ReRAM 的基础, ZnO、TiO2和Cu氧化物异质结中均观察到电阻开关效应，但目前人们对于电阻开关效应的微观物理机制还没有达成共识，而且器件的性能也需要进一步提高才能达到实际应用的要求。本项目对器件制备参数进行了优化，并对所制备的器件的阻变特性进行了研究。取得以下主要成果：1）退火温度、退火时间及掺杂均对薄膜和器件的特性有影响。Mn:ZnO的最佳掺杂浓度大约为3%，最佳退火温度和时间为500℃、 3小时，通过退火可改善器件阻变特性，提高器件RHRS/RLRS值。退火处理同样可以提高TiO2薄膜和器件的性能，但Mn掺杂会导致TiO2薄膜结晶质量下降。2）ZnO、TiO2和Cu氧化物异质结均呈现出阻变特性，电极与氧化物阻变层的界面以及氧化物阻变层内氧空位等缺陷均对阻变特性有影响，通过控制器件制备参数和测量过程，可以在采用相同氧化物阻变层的器件中分别实现单极型或者双极型的阻变，甚至可以在同一器件中实现多个组态之间的直接转换。3）在对钙钛矿型氧化物器件的阻变效应研究也进一步表明阻变效应与界面和氧空位等缺陷密切相关。另一方面，ZnO、TiO2和Cu氧化物这些典型的氧化物稀磁半导体铁磁性来源及磁性调控也是当前的研究热点。我们对不同条件下制备的掺杂ZnO薄膜的磁性进行了研究，结果表明我们所制备的ZnO薄膜在室温时呈现出铁磁性；而且当薄膜中氧空位的含量增加时，薄膜的磁化强度增强，证明掺杂ZnO薄膜的铁磁性与氧空位之间存在着密切的关系。这些结果为揭示阻变效应的物理机制、澄清氧化物稀磁半导体铁磁性的来源，以及通过利用阻变效应来对氧化物稀磁半导体的磁性进行调控提供参考。