CeO2基納米粒子薄膜阻變特性研究.pdf

1、常見的阻變材料有固態(tài)電解質(zhì)材料、碳基阻變材料、有機(jī)阻變材料、復(fù)雜氧化物材料及二元金屬氧化物材料等。近來(lái)年，基于稀土氧化物制成的RRAM阻變器件也得到了廣泛的研究，這是由于稀土元素具有豐富的電子結(jié)構(gòu)，其獨(dú)特的4f電子層結(jié)構(gòu)、豐富的電子能、強(qiáng)自旋軌道耦合等特性，決定了稀土元素及其化合物獨(dú)特的光、電、磁特性。在此基礎(chǔ)上將稀土材料納米化后，其在原有的特性的基礎(chǔ)上又具備了更多的納米材料的優(yōu)良特性，如小尺寸效應(yīng)、表面界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)及較強(qiáng)的光

2、電磁聲性質(zhì)等，能大大提高材料的性能和功效。氧化鈰(CeO2)因本身的特殊性質(zhì)使得其在工業(yè)應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用，C3+與Ce4+的可逆價(jià)態(tài)變化使得其內(nèi)部的氧空位極易形成與消散，并且氧化鈰中的Ce離子與氧空位具有很強(qiáng)的傳導(dǎo)性，考慮到金屬氧化物的阻變特性多與氧空位的形成與消散有關(guān)，故二氧化鈰在RRAM阻變存儲(chǔ)上具有很高的研究?jī)r(jià)值。本文以CeO2為主要材料，通過(guò)溶膠凝膠旋涂法制備了CeO2薄膜，并對(duì)不同退火溫度下的CeO2薄膜阻變特性進(jìn)行了分析，

3、在此基礎(chǔ)上利用水熱法制備了CeO2納米粒子(NPs)、鈰鋯及鈰鋅復(fù)合納米粒子，通過(guò)調(diào)節(jié)制備參數(shù)、復(fù)合比例和微觀結(jié)構(gòu)等措施研究其阻變特性優(yōu)化。主要內(nèi)容如下。
　　首先，采用溶膠凝膠法制備出立方螢石結(jié)構(gòu)的CeO2薄膜，結(jié)晶度隨退火溫度增大而變好，粒子尺寸為7～50nm。電學(xué)測(cè)試顯示薄膜均具有很好的可重復(fù)性雙極電阻開關(guān)特性，但開關(guān)比較低，約為10左右，閾值電壓隨退火溫度升高而略有增大。不同退火溫度所得CeO2薄膜在高低阻態(tài)時(shí)荷電輸運(yùn)均符

4、合歐姆傳導(dǎo);開關(guān)機(jī)理可歸因于Ce離子導(dǎo)電細(xì)絲的形成和斷裂。隨后通過(guò)調(diào)節(jié)水熱條件，發(fā)現(xiàn)不同pH值下所制得的CeO2納米粒子均為立方晶體結(jié)構(gòu)，衍射峰強(qiáng)度隨pH的增大而增大，pH=8下所得CeO2納米粒子薄膜不僅開關(guān)比最大且閾值電壓也較小，取此pH下的納米粒子進(jìn)行不同焙燒溫度處理，焙燒溫度對(duì)所制備納米粒子的晶體結(jié)構(gòu)沒有影響，但隨焙燒溫度的增大，CeO2衍射峰也逐漸增強(qiáng);開關(guān)比隨焙燒溫度增大先增大后減小，閾值電壓則逐漸減小。
　　對(duì)于鈰鋯

5、復(fù)合納米材料，同樣采用水熱-焙燒法，當(dāng)Ce/Zr比為1∶1時(shí)，不同pH值下所制得的復(fù)合納米粒子均發(fā)生了固溶反應(yīng)，固溶反應(yīng)隨pH的增大而加劇，產(chǎn)物多為Ce0.5Zr0.5O2和Ce0.2Zr0.8O2。pH=8下所得復(fù)合納米粒子薄膜不僅開關(guān)比最大且閾值電壓也較小，斜率變化表明復(fù)合納米粒子薄膜CZO5高阻態(tài)傳輸機(jī)理由TCLC轉(zhuǎn)變?yōu)镾CLC，氧空位與SCLC的共同作用是薄膜產(chǎn)生阻變特性的原因。取此pH下的納米粒子進(jìn)行下一步焙燒處理，焙燒溫度對(duì)

6、所制備納米粒子的晶體結(jié)構(gòu)沒有影響，但隨焙燒溫度的增大，固溶物的衍射峰也逐漸增強(qiáng)。阻變機(jī)理與氧空位有關(guān)氧空位最初是在阻變層復(fù)合納米粒子薄膜與下電極ITO的界面處開始形成，隨著SET過(guò)程的進(jìn)行，氧空位細(xì)絲便從CeO2-ZrO2/ITO處開始生長(zhǎng)，向GaIn上電極方向延伸，形成一條連通上下電極的導(dǎo)電細(xì)絲。
　　對(duì)于鈰鋅復(fù)合納米材料，取上述最佳水熱條件的基礎(chǔ)上，研究了膜層對(duì)薄膜開關(guān)特性的影響，不同Ce/Zn比例下所制各得到復(fù)合納米粒子薄膜

7、均具備很好的可重復(fù)性雙極電阻開關(guān)特性，開關(guān)比約為5000左右，閾值電壓變化幅度不太，約為1.3V左右。XRD結(jié)果隨Zn比例的增大，復(fù)合納米粒子結(jié)構(gòu)并沒有太大改變。膜層對(duì)復(fù)合納米粒子的擬合斜率無(wú)明顯影響，符合空間電荷輸運(yùn)機(jī)制，阻變機(jī)理與界面效應(yīng)和氧空位有關(guān)。
　　總之，所制備鈰基納米粒子均具有可重復(fù)電阻開關(guān)特性，采用ZrO2、ZnO與CeO2復(fù)合獲得納米異質(zhì)結(jié)可降低阻變器件的開電壓，但其開關(guān)比也會(huì)下降。通過(guò)合理控制水熱條件、優(yōu)化器件