电极/过渡金属氧化物界面微结构对电阻开关特性的影响

非挥发性电阻随机存储器是利用过渡金属氧化物在电压作用下呈现高、低阻态的特性制成的。其存储单元结构简单，存储密度高，读写速度快，工作电压小，能耗低，被视为可行性高，最具竞争力和应用前景的非挥发性存储器件。但迄今为止，关于过渡金属氧化物中电阻开关效应的物理机制还不清楚，涉及的一些基本物理现象和物理问题还没有达成共识。国内外越来越多的研究表明，电极/氧化物界面的微结构（如粗糙度、缺陷、织构、吸附和析出等）对电阻开关特性有很大的影响，但对其中的物理本质还缺乏系统的研究和深入的理解。本课题拟以电极/过渡金属氧化物的界面为切入点，通过离子轰击、抛光、腐蚀和退火等手段控制电极/氧化物界面状态，采用宏观和微观多种测量方法，实验和理论相结合，系统研究电极/过渡金属氧化物界面微结构影响电阻开关效应的物理规律，深入理解过渡金属氧化物电阻开关特性的物理机制，为我国非挥发性存储器产业的发展提供实验基础。

场致电阻转变效应是非挥发性电阻存储器的基础。本课题通过宏观和微观的方法，结合第一性原理计算系统研究了Au/NSTO体系结构在多种条件下的场致电阻转变效应，深入理解了该体系中场致电阻转变效应的物理机制。.课题系统研究了氧气退火对场致电阻转变效应的影响，发现退火样品有明显的整流效应，但没有阻变效应，而未退火样品没有整流效应，却有显著的阻变效应，电容-电压特性有较大的洄滞。在零偏压下有相同的比电容。我们的结果表明，Au/NSTO体系中的阻变效应是由电极下不均匀分布的导电filaments的通和断引起的。.用导电原子力显微镜的针尖作为电极来诱导电阻转变，我们发现和宏观电极结果不同，在样品表面的任何地方，即使没有本征缺陷，在真空中都能诱导处电阻转变。开尔文显微镜观察表明，低阻态对应着表面费米面的升高，而高阻态对应着费米面的降低。而在氧气中，高、低阻态的变化不明显。氧含量对场致电阻转变效用有非常重要的影响。第一性原理计算表明，除样品表面外，NSTO表面的氧离子离开表面后，随着距离的变化存在另一个势能极小值。在外加正负电压作用下氧离子分别处于这两个势能极小位置，从而引起样品表面载流子的变化，导致高、低阻态。.在以接触模式用原子力显微镜研究STO表面时发现，针尖的机械运动可以引起表面失氧，从而使表面的载流子浓度增加，呈现半导体电阻行为。第一性原理计算表明，更多的表面氧离子的逃逸甚至可以诱导表面金属态，与文献的结果一致。.因为场致电阻转变效应发生在金属电极和氧化物界面，我们用Ar+轰击的办法来改变氧化物表面的状态，发现了场致电阻转变效应极性演化的过程，在同一样品中同时发现了两种电阻开关转换极性。.深入研究了LCMO/STO异质结中电流引起的IV曲线非线性效应，发现该非线性效应不是LCMO本征属性，而是来自于电流引起的STO的非线性效应。并提出了等效电路模型解释了实验现象。