ZnO基稀磁半导体异质结电阻变换、磁性及其耦合研究

Resistive switching effect has potential application for future generation nonvolatile resistive random access memory. It is of scientific importance and application potential to study resistive switching, magnetic and their coupling effect in diluted magnetic semiconductor. In this project, we intend to fabricate ZnO based dilute magnetic semiconductor heterostructures and metal electrodes by magnetron sputtering. The effects of preparation parameters, films thickness, element doping as well as substrates, electrode materials, device structure on the resistive switching effect and magnetic performance will be extensively explored. The relationships between applied voltage and resistive switching will be investigated. The applied voltage will be utilized to modulate the resistive switching and multilevel resistive switching will be explored. Moreover, studies will also be conducted on the impact of resistive switching on magnetic and magnetic field on resistive switching, to explore the possible coupling among resistive-switching/magnetic effects. Based on these studies, the understanding of the mechanisms of the resistive switching and dilute magnetic semiconductor would be understood deeply. Furthermore, this project could provide preliminary research foundation and technical support for the potential application of resistive-switching/magnetic.

电阻变换效应在下一代不挥发性阻变存储器中具有巨大的应用前景。开展稀磁半导体的电阻变换效应、磁性及其耦合的研究，具有重要的科学意义与应用价值。本项目拟采用磁控溅射法制备ZnO基稀磁半导体薄膜与金属电极，构筑电极/氧化物薄膜/电极结构的器件原型。研究薄膜的制备条件、薄膜厚度、元素掺杂以及衬底选择、电极材料、器件结构等对电阻变换性能、磁性的影响规律；研究电阻变换与脉冲电压的关系，实现电场对电阻的有效调控以获得多级阻变性能；研究阻变对磁性、磁场对阻变的影响，探索阻变与磁性的耦合规律与机理。在此基础上，深入理解电阻变换与稀磁半导体磁性的机制，为有可能的阻变/磁性器件的应用提供前期的研究基础与技术支持。

近年来，电阻变换（RS）效应由于在高密度、高速度、低功耗阻变存储器中的巨大应用前景引起了学术界和产业界的广泛关注，是功能材料领域研究的前沿热点。虽然在众多材料中均已发现了电阻变换效应，其多种潜在的特性及其相关的物理机制亟待深入探索，一方面电阻变换性能还需提升，另外一方面还组变换机制还要进一步明晰。本项目主要采用脉冲激光沉积法在Nb掺杂SrTiO3基片上制备了多种氧化物薄膜及其异质结，研究了这些薄膜异质结的电阻变换效应及其关联的磁性性质，获得电场调控薄膜电阻与磁性的规律；研究探索了电阻/磁性的电场调控机制。. 首先对ZnO薄膜材料的制备条件进行了摸索，获得了制备温度、元素掺杂、后期处理对ZnO材料的电阻率以及薄膜磁性的影响。深入研究了ZnO薄膜材料的阻变效应，获得了稳定可靠的阻变性能，具有多级阻变、优异的保持与翻转性能。在Co掺杂ZnO材料中实现电阻变换、室温铁磁性以及可控的光伏响应，获得阻变对磁性影响规律，并研究电阻、磁性、光响应之间的关联。在此基础上，将研究对象拓展到NiO、TiO2、CoFe2O4、CeO2等，并获得了一些重要的研究进展，深入理解了电阻变换机制及其应用。. 在本项目的资助下，围绕电阻变换在国内外重要学术期刊上发表了20篇学术论文。