过渡金属氧化物中电脉冲引起的电阻存储效应的实验和理论研究

电脉冲导致的电阻（EPIR）开关效应的电阻型存储器（RRAM）满足新一代高密度，高速度和低能耗存储器件的要求，可大规模拓展并与现有CMOS工艺设备兼容，应用前景极其广泛。本项目有两方面研究目标，一是研究高性能的EPIR新材料，包括4~5组元钙钛矿氧化物和二元简单金属氧化物，并寻找其他系列的新型EPIR材料。研究以双极型（Biopolar）开关效应和材料为主，兼顾单极型（Unipolar），并寻找同时具有双极性和单极性EPIR效应的新型材料。二是对物理机制进行研究探讨。对界面效应，尺寸效应，掺杂效应，氧离子/空位的分布及扩散效应，材料结构，结构缺陷和化学组分进行研究，并通过理论计算和数值模拟，搞清EPIR效应的机理，揭示影响EPIR效应的核心因素和工艺条件，提高EPIR材料的存储性能，为新一代RRAM原型器件的研制做准备工作。

电脉冲导致的电阻开关效应（EPIR）的电阻存储器（RRAM）满足新一代高密度，高速度和低能耗存储器件的要求，应用前景广泛。本项目对这一课题进行了两方面的研究：.一是在实验上对高性能的材料进行了研究，通过脉冲激光沉积方法，制备具备EPIR存储效应的氧化物薄膜材料。（1）我们扩展了存储材料家族，在新型的过渡金属氧化物（如Ba0.5Sr0.5Co0.2Fe0.8O3，Nd0.7Ca0.3MnO3等）和经过掺杂的二元金属氧化物（CrTiOx）薄膜上都发现EPIR效应。这些新型材料的EPIR比率高，能够引起EPIR效应的阈值电压小。（2）根据理论研究和数值模拟的指导，在实验上，我们通过改变界面情况，在界面插入高电阻材料（如STO和PZT薄膜）和改变电极材料和尺寸，大幅提高了存储性能。（3）通过优化了材料制备工艺，在提高了EPIR效应的同时，也提高了存储器件的稳定性和耐疲劳性。.二是对物理机制进行了研究，（1）运用了氧离子/空位移动模型和类铁电模型对EPIR效应进行了合理的解释。（2）利用了遂穿模型对EPIR效应进行模拟，并通过实验进行验证，理论与实验得到了相符的结果。（3）对表面势垒对EPIR效应的影响进行了研究讨论。（4）利用第一性原理对于所关注材料的态密度和电子能带结构进行了计算和分析研究。.本课题的主要成果以论文形式体现，共发表了SCI学术论文24篇,分别发表在Physical Review Letters, Physical Review B，Physical Review E, Applied Physics Letters, Journal of Applied Physics, Europhysics letters, European Physical Journal B, Chin. Phys. B等SCI期刊上。