ZrO2基納米粒子薄膜電阻開關特性研究.pdf

1、隨著傳統(tǒng)存儲器件的尺寸越來越達到其縮小極限，阻變存儲器以其結(jié)構(gòu)簡單、可縮小性強、功耗低以及保持時間長等優(yōu)點受到廣泛關注。在眾多阻變材料中，二元金屬氧化物材料又由于組分簡單，容易可控生長等優(yōu)點被大量研究。ZrO2具有高介電常數(shù)、良好電阻開關特性，性能穩(wěn)定且易于制備等優(yōu)點。此外，為適應未來對存儲器件的存儲密度要求，需要開發(fā)新型高密度存儲元件，而目前關于一維納米材料非易失性存儲的研究報道的還比較少。本文以ZrO2為主要材料，通過水熱法制備了Z

2、rO2納米粒子(NPs)、鋯鎳及鋯銅復合納米異質(zhì)結(jié)，通過調(diào)節(jié)制備參數(shù)、摻雜改性和微觀結(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，采用水熱法制備出單斜相ZrO2 NPs，結(jié)晶度比較低，粒子尺寸為7～10nm。其中180℃水熱3h時，ZrO2的結(jié)晶性相對較好，開關比最大(～9206)。水熱ZrO2 NPs經(jīng)600℃焙燒后，結(jié)晶度大大提高，而開關比顯著降低(＜10)，其原因可能是載流子遷移率增大進而使高阻態(tài)的電流值增大。Zr

3、O2 NPs的開關機理可歸因于氧空位細絲的形成和斷裂。隨后選取最佳水熱參數(shù)，制備Li、La摻雜ZrO2NPs。研究發(fā)現(xiàn)Li以替代Zr形式摻入ZrO2，可增強氧空位導電細絲，因此提高ZrO2 NPs的開關比并降低其開電壓;當Li摻雜濃度超過15％時，過量Li存在于晶格間隙，使得Li-ZrO2的開關比反而低于本征ZrO2 NPs。而La摻雜ZrO2 NPs中，La形成間隙缺陷，阻礙氧空位產(chǎn)生，削弱導電細絲;同時Lai3+作為載流子參與導電，

4、增大高阻態(tài)電流，導致其開關比低于本征ZrO2 NPs。
　　其次，水熱反應制備的CuO納米結(jié)構(gòu)與ZrO2 NPs形貌差別較大。180℃，pH=7條件下水熱1h可得到結(jié)晶性良好的單斜相CuO，為粒徑約75nm的花椰狀結(jié)構(gòu);其開電壓-1.2V左右，開關比為240左右，開關機理可歸因于電場作用下肖特基勢壘高度的變化。pH增大到10，CuO變?yōu)榛ㄐ伪∑Y(jié)構(gòu)，厚20nm左右。通過物理混合和化學復合法所得ZrO2-CuO復合納米材料中ZrO2

5、與CuO均可實現(xiàn)均勻混合。與本征ZrO2相比，其開電壓明顯降低，開關比減小。第一性原理計算發(fā)現(xiàn)ZrO2-CuO復合結(jié)構(gòu)費米能級附近的電子能態(tài)主要由CuO的Cu3d態(tài)貢獻，導致帶隙減小，載流子更易躍遷，因此開電壓降低，開關比減小。
　　對于鋯鎳復合納米材料，采用水熱-焙燒法，通過調(diào)節(jié)實驗參數(shù)制得了分散性良好的27nm左右的立方相NiO NPs。隨焙燒溫度由400℃升高到900℃，其結(jié)晶性提高，開關比由1407劇烈下降至11左右，開電

6、壓均比較低（-1.3 V左右），其原因可能是納米粒子結(jié)晶后，其晶界勢壘減小，載流子遷移率增大，導致開關特性變差。異質(zhì)結(jié)界面耗盡層寬度的改變是導致NiONPs電阻開關現(xiàn)象的主要原因。ZrO2與NiONPs復合后開電壓和開關比(28～1485)均降低。這是因為NiO的混合提高了復合納米粒子的導電性，增大了高阻態(tài)的電流。
　　總之，所制備鋯基納米粒子均具有可重復電阻開關特性，低價元素替位摻雜可有效降低開電壓并提高其開關比，采用p型CuO