钛酸钡薄膜的阻变开关现象和负微分电阻现象的研究

摘要

当今世界信息技术的快速发展离不开非易失性存储器件性能的不断提高。为了获得性能更加优异的新型存储器，大量的研究者都在寻找常规存储器的替代品。在研究中发现，许多氧化物材料中都存在有电阻开关的现象，大部分都具有能够应用于非易失性阻变存储器(ReRAM)中的应潜能。其中传统的非易失性存储器的机制可以分为两类，一类是离子机制，一类是电子机制，和离子机制相比较，电子机制的阻变效应占据着主要的位置。但是一般的电阻开关的电子机制都与器件的缺陷有关，而缺陷是不容易控制的，这也是传统的阻变开关材料没有实现广泛商用的原因之一。在这个时候铁电材料进入我们的视野，最近几年对铁电薄膜的制备、性能和应用的研究，以及利用铁电材料的铁电性质控制阻变开关的特性已经成为了新功能材料研究的一个热点。钛酸钡薄膜作为一种典型的铁电材料而受到广泛的关注。一些有趣的现象发生在钛酸钡薄膜的电子运输的过程中，比如:可切换的二极管效应，欧姆接触到肖特基接触的转变，双极性的阻变开关现象，磁电耦合现象，以及利用铁电的极化性质来控制阻变开关性质的现象。而通常伴随着这些现象的发生会出现负微分电阻现象。这种负微分电阻现象也会出现在其他的一些材料体系中，比如:双重的量子阱，超晶格，和一维系统当中。但是负微分电阻现象的微观机制到目前为止还存在着很大的争议。目前学术领域有着各种各样的微观机制用来解释阻变开关现象，包括:氧空位的迁移机制，电荷俘获和去俘获机制，导电细丝机制等等，但是以上的这些机制都很难解释负微分电阻效应，基于这种背景我们对钛酸钡铁电薄膜的阻变开关性质和负微分电阻性质进行了研究，并且我们的研究得到了一些有意义的结果，主要结果如下:
　　在铁电材料当中钛酸钡材料(BaTiO3)是一种非常典型铁电材料。采用激光脉冲沉积技术，在不同的氧压条件在导电玻璃(FTO)衬底上生长钛酸钡(BTO)铁电薄膜。XRDθ-2θ扫描结果显示出在FTO衬底上生长出了质量较好的BTO铁电薄膜，通过直流溅射工艺在BTO表面镀上直径为0.001 cm的电极，制备出了Au/BTO/FTO的器件。之后利用Keithley2400对该器件进行I-V扫描，在扫描过程中发现在负电压区域会有负微分电阻的现出，并且该现象的出现于正电压有着密切的关系。为了寻找出负微分电阻现象出现的原因和该现象与正电压保持着何种关系，于是我们对该Au/BTO/FTO器件进行了铁电性质，DLTS以及脉冲电压测得的研究。经观察发现，器件的负微分电阻现象在不同的脉冲宽度和脉冲强度下都会受到影响。与此同时，引入了界面态机制来解释该器件的阻变开关现象和负微分电阻现象，利用Au/BTO界面间的施主型界面态对电子的俘获与去俘获模型完好的解释了该现象。在测试当中给予该器件上施加不同大小的正偏压，发现其电阻会相对应的呈现出连续变化的趋势。说明该器件也有着作为多级阻变存储器的潜能。将样品置于低温环境当中，利用Keithley2400对其进行I-V测试，发现在低温环境的情况下，该Au/BTO/FTO出现了整流特性反转的现象。而且经过试验证明这种现象是不可逆的。分析得出这种现象是与铁电本身的居里温度是密切相关的。在低温环境下，由于温度到达其居里温度，所以BTO薄膜的晶体结构发现了改变。因此在低温环境下会出现整流特性反转的现象。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．2 铁电体材料简介

1．3 钛酸钡(BaTiO3)材料的结构、性质及应用

1．3．1 BaTiO3基本性质与晶体结构

1．3．2 BaTiO3的特性及其应用

1．4 钛酸钡(BaTiO3)材料的发展历史及其研究现状

1．5 几种类型的存储器简介

参考文献

第二章 钛酸钡(BTO)薄膜的制备及表征

2．1 脉冲激光沉积

2．1．1 脉冲激光沉积(PLD)系统

2．1．2 PLD沉积薄膜的原理

2．2 其他薄膜制备方法及其比较

2．3 表征手段

2．3．1 X射线衍射(XRD)

2．3．2 压电力显微镜(PFM)

2．3．3 电流源表Keithley2400简介

2．3．4 阻抗分析仪Aglient 4294A的简介

2．3．5 DLTS深能级测试仪简介

2．4 本章小结

参考文献

第三章 Au／BTO／FTO器件的制备及其负微分电阻效应

3．1 导电玻璃(FTO)衬底上生长BTO的多晶薄膜

3．1．1 衬底的选择及清洗

3．1．2 利用PLD设备生长BTO薄膜

3．1．2 样品的XRD表征

3．2 Au／TO／FTO异质结的阻变开关现象和负微分电阻(NDR)现象

3．2．1 Au／BTO／FTO的Ⅰ-Ⅴ特性

3．3 Au／BTO／FTO器件的开关循环性和保持性

3．4 实验现象分析

3．5 本章小结

参考文献

第四章 时间效应对Au／BTO／FTO器件的负微分电阻效应的影响

4．1 仪器的选择和搭建

4．2 脉冲电压信号对Au／BTO／FTO器件的影响

4．2．1 阻变特性及其原因

4．2．2 器件Au／BTO／FTO由不同触发电压引起的多级阻变效应

4．3 本章小结

参考文献

第五章 不同氧压下的BTO薄膜的电学特性的比较和低温下该器件的Ⅰ-Ⅴ变化

5．1 不同的氧压对的BTO薄膜的影响

5．1．1 制备方法

5．1．2 Ⅰ-Ⅴ测试

5．2 温度对的BTO薄膜电学性质的影响

5．2．1 仪器的选择

5．2．2 Au／BTO／FTO的深能级谱

5．3 外延钛酸钡薄膜的制备

5．3．1 在SrTiO3(111)上生长外延的BTO薄膜

5．3．2 CAFM和PFM图谱

5．4 本章小结

参考文献

总结与展望

致谢

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