ZrO2基納米粒子薄膜電阻開(kāi)關(guān)特性研究.pdf

1、隨著傳統(tǒng)存儲(chǔ)器件的尺寸越來(lái)越達(dá)到其縮小極限，阻變存儲(chǔ)器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可縮小性強(qiáng)、功耗低以及保持時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。在眾多阻變材料中，二元金屬氧化物材料又由于組分簡(jiǎn)單，容易可控生長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)被大量研究。ZrO2具有高介電常數(shù)、良好電阻開(kāi)關(guān)特性，性能穩(wěn)定且易于制備等優(yōu)點(diǎn)。此外，為適應(yīng)未來(lái)對(duì)存儲(chǔ)器件的存儲(chǔ)密度要求，需要開(kāi)發(fā)新型高密度存儲(chǔ)元件，而目前關(guān)于一維納米材料非易失性存儲(chǔ)的研究報(bào)道的還比較少。本文以ZrO2為主要材料，通過(guò)水熱法制備了Z

2、rO2納米粒子(NPs)、鋯鎳及鋯銅復(fù)合納米異質(zhì)結(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)制備參數(shù)、摻雜改性和微觀(guān)結(jié)構(gòu)等措施研究其阻變特性?xún)?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(shí)，ZrO2的結(jié)晶性相對(duì)較好，開(kāi)關(guān)比最大(～9206)。水熱ZrO2 NPs經(jīng)600℃焙燒后，結(jié)晶度大大提高，而開(kāi)關(guān)比顯著降低(＜10)，其原因可能是載流子遷移率增大進(jìn)而使高阻態(tài)的電流值增大。Zr

3、O2 NPs的開(kāi)關(guān)機(jī)理可歸因于氧空位細(xì)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(qiáng)氧空位導(dǎo)電細(xì)絲，因此提高ZrO2 NPs的開(kāi)關(guān)比并降低其開(kāi)電壓;當(dāng)Li摻雜濃度超過(guò)15％時(shí)，過(guò)量Li存在于晶格間隙，使得Li-ZrO2的開(kāi)關(guān)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(dǎo)電細(xì)絲;同時(shí)Lai3+作為載流子參與導(dǎo)電，

4、增大高阻態(tài)電流，導(dǎo)致其開(kāi)關(guān)比低于本征ZrO2 NPs。
　　其次，水熱反應(yīng)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(kāi)電壓-1.2V左右，開(kāi)關(guān)比為240左右，開(kāi)關(guān)機(jī)理可歸因于電場(chǎng)作用下肖特基勢(shì)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(guò)物理混合和化學(xué)復(fù)合法所得ZrO2-CuO復(fù)合納米材料中ZrO2

5、與CuO均可實(shí)現(xiàn)均勻混合。與本征ZrO2相比，其開(kāi)電壓明顯降低，開(kāi)關(guān)比減小。第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)ZrO2-CuO復(fù)合結(jié)構(gòu)費(fèi)米能級(jí)附近的電子能態(tài)主要由CuO的Cu3d態(tài)貢獻(xiàn)，導(dǎo)致帶隙減小，載流子更易躍遷，因此開(kāi)電壓降低，開(kāi)關(guān)比減小。
　　對(duì)于鋯鎳復(fù)合納米材料，采用水熱-焙燒法，通過(guò)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)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(kāi)關(guān)比由1407劇烈下降至11左右，開(kāi)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(shì)壘減小，載流子遷移率增大，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)特性變差。異質(zhì)結(jié)界面耗盡層寬度的改變是導(dǎo)致NiONPs電阻開(kāi)關(guān)現(xiàn)象的主要原因。ZrO2與NiONPs復(fù)合后開(kāi)電壓和開(kāi)關(guān)比(28～1485)均降低。這是因?yàn)镹iO的混合提高了復(fù)合納米粒子的導(dǎo)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(fù)電阻開(kāi)關(guān)特性，低價(jià)元素替位摻雜可有效降低開(kāi)電壓并提高其開(kāi)關(guān)比，采用p型CuO