Резистивное переключение и аккумулятор

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 14297 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Высокопрозрачные устройства резистивного переключения (RS) были изготовлены путем выращивания тонких пленок аморфного пентаоксида тантала (a-Ta2O5) и оксида индия-олова (a-ITO) на подложках из барий-боросиликатного стекла (7059) с использованием электронно-лучевого испарения. Эти слои демонстрировали коэффициент пропускания более ~ 85% во всей видимой области и демонстрировали поведение RS и характеристики IV, подобные батареям. Общие характеристики РС можно регулировать с помощью верхнего электрода и толщины a-Ta2O5. Более тонкие пленки показали обычное поведение RS, тогда как более толстые пленки с металлическими электродами показали характеристики, подобные батареям, что можно объяснить дополнительными окислительно-восстановительными реакциями и нефарадеевскими емкостными эффектами. Устройства, имеющие характеристики IV, подобные батареям, показали более высокий повышенный, удерживающий и низкий рабочий ток.

Прозрачные устройства резистивного переключения (RS) привлекли значительное научное внимание в связи с разработкой невидимых схем, электронных устройств сверхмалого энергопотребления, датчиков и прозрачной электроники1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. Текущие исследования прозрачных проводящих оксидов (TCO) требуют тонкого баланса между высокой электропроводностью и оптической прозрачностью в видимом спектре. Более того, существует необходимость внедрения в ТСО других схемотехнических элементов, которые могут выполнять другие функции обработки и хранения информации. В частности, двухполюсное устройство RS обещает преодолеть фундаментальные ограничения сложности схемы, масштабирования и энергопотребления8,11,12,13,14,15. В типичном устройстве RS сопротивление изменяется между состояниями с низким и высоким сопротивлением обратимым и энергонезависимым образом под действием электрических полей и токов. Кроме того, многоуровневые RS также могут иметь промежуточные резистивные состояния (IRS), которые можно стабилизировать в одном устройстве с помощью напряжения, тока соответствия и температуры, что может сыграть решающую роль для хранения данных с высокой плотностью16,17,18,19. ,20,21,22. Другое похожее поведение — мемристивный тип, при котором значение сопротивления постоянно изменяется в зависимости от истории приложенного напряжения и тока, что может имитировать состояние в мозге, при котором электрические связи между двумя нейронами становятся сильнее каждый раз, когда к соединению обращаются21,23. 24,25,26,27. Как мемристивные, так и многоуровневые характеристики переключения необходимы для развития нейроморфных вычислений. Действительно, те же самые двухконтактные устройства RS (в геометрии конденсатора) также можно использовать для локального обеспечения энергией, также называемые нанобатареями28,29, для повышения портативности и эффективности. Оксиды металлов с высокой диэлектрической проницаемостью, такие как оксид гафния (a-HfOx), оксид тантала (a-TaxOy) и оксид иттрия (a-Y2O3), могут быть очень многообещающими материалами для разработки прозрачно-резистивной оперативной памяти (T -RRAM) и мемристивные устройства, которые можно выращивать при низкой температуре22,30,31,32,33,34,35,36. Оксиды тантала (a-Ta2O5), выращенные различными методами физического осаждения из паровой фазы, весьма перспективны, поскольку прозрачные пленки с высокими изолирующими свойствами можно выращивать при более низких температурах. Поэтому было бы интересно выяснить роль толщины пленки, материала электрода, джоулевого нагрева и того, может ли прозрачный проводящий оксид, такой как оксид индия-олова (ITO), эффективно интегрироваться с оксидом тантала для T-RRAM или прозрачных мемристоров. Здесь мы обнаружили, что некоторые режимы промежуточной толщины демонстрируют новый тип IV-характеристик, подобных батареям, с повышенной долговечностью, сохранением и чрезвычайно низким током утечки, что важно для устройств с низким энергопотреблением. Мы предполагаем, что за такое поведение может быть ответственен нефарадеевский емкостный эффект (NFC). Противоположное внутреннее поле помогает ограничить ток утечки и повысить рабочую мощность этих устройств. Это исследование открывает возможности внедрения концепций нанобатарей в мемристоры на основе Ta2O5 и устройства RS, а также ставит дополнительные вопросы, связанные с механизмами, лежащими в основе NFC.