Comportamento de mudança de resistência do filme SrTiO3 depositado na camada atômica através da possível formação de fases Sr2Ti6O13 ou Sr1Ti11O20

Scientific Reports volume 6, Número do artigo: 20550 (2016) Citar este artigo

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A identificação da evolução microestrutural da fase condutora em nanoescala, como o filamento condutor (CF), em muitos dispositivos de comutação de resistência (RS) é um fator crucial para entender inequivocamente os comportamentos elétricos dos dispositivos eletrônicos baseados em RS. Entre os diversos sistemas de materiais RS, o sistema redox baseado em óxido compreende a principal categoria desses dispositivos eletrônicos intrigantes, onde as mudanças locais, ao longo das direções lateral e vertical de filmes finos, na química do oxigênio foram sugeridas como o principal mecanismo RS. No entanto, existem sistemas que envolvem fases cristalográficas distintas como CF; a fase Magnéli em TiO2 é um dos exemplos mais conhecidos. A pesquisa atual relata a possível presença de fase condutora local distinta no filme fino de SrTiO3 RS depositado na camada atômica. A fase condutora foi identificada através de extensos estudos de microscopia eletrônica de transmissão, que indicaram que a fase deficiente em oxigênio Sr2Ti6O13 ou Sr1Ti11O20 estava presumivelmente presente principalmente ao longo dos contornos de grão de SrTiO3 após a mudança de conjunto unipolar na estrutura Pt/TiN/SrTiO3/Pt. Uma caracterização elétrica detalhada revelou que as amostras apresentaram RS bipolar e complementar típica após a reinicialização da célula de memória unipolar.

O dispositivo de comutação de resistência de óxido (RS) baseado em Redox pode ser considerado como a principal categoria do intrigante e futurista dispositivo de memória eletrônica, que é chamado de memória de acesso aleatório de comutação de resistência (RRAM). Como há um grande número de diversos sistemas de óxido com diversas e complexas reações redox, as características elétricas detalhadas da RRAM à base de óxido são muito dependentes dos materiais constituintes, dos eletrodos e dos processos de fabricação1,2,3,4,5. Com muita dessa diversidade, em comparação com o sistema de material bastante restrito para memórias de mudança de fase, ligas Ge-Sb-Te, pesquisas altamente ativas sobre RRAMs estão em andamento tanto na academia quanto nas indústrias. No entanto, essa diversidade também criou alguns desafios na determinação da melhor escolha para comercialização de RRAM. Em geral, os materiais RS à base de óxidos podem ser classificados em dois grupos – um que contém uma fase cristalográfica distinta como fase localmente condutora e outro que não contém tal fase. Um exemplo típico do primeiro é o TiO2, onde os materiais da fase Magnéli, que podem ser representados por uma fórmula geral de TinO2n-1 (n = 2, 3, 4…), formam o filamento condutor (CF) e a comutação da resistência unipolar ( URS) do filme de TiO2 pode ser bem compreendido a partir da ruptura repetida (térmica) e do rejuvenescimento (impulsionado pelo campo) dos CFs Magnéli conectando os eletrodos superior e inferior6. No RS bipolar (BRS) do TiO2, a reação do tipo redox, mediada pela migração de oxigênio (vagas) impulsionada pelo campo elétrico dentro da região de ruptura do CF de Magnéli, explica bem os comportamentos elétricos detalhados do RS7. Em contraste, o HfO2 representa o segundo grupo de materiais RS à base de óxido, onde o sistema de material carece de uma fase cristalográfica distinta que pode formar os CFs locais. Nesse caso, a reação redox mediada pela vacância de oxigênio (VO) impulsionada pelo campo explica bem a BRS observada, o que também explica a dificuldade geral em observar a URS nesses sistemas materiais8. Trabalhos recentes de Wang et al. revelou que a condução tipo ôhmica do estado de baixa resistência (LRS) na célula HfO2 RS envolvia CFs semicondutores, sugerindo a falta de uma segunda fase distinta, que poderia ser a condutividade metálica neste sistema9. A possibilidade de ajuste fino na condutividade através do processo de fabricação, bem como a operação elétrica nestes sistemas de materiais, uma vez que carecem da fase condutora distintiva, os torna favoráveis. No entanto, a comutação aleatória dessas fases condutoras, adicionando ou perdendo defeitos pontuais, pode invocar outros problemas críticos, como problemas significativos de ruído aleatório do telégrafo.