文摘

我们报告的调查电阻开关(RS)超薄厚度(≈5 nm) yttria-stabilized氧化锆(YSZ)电影与单一层的Au纳米颗粒(NPs)导电原子力显微镜(CAFM)。除了butterfly-type磁滞环电流电压(- - - - - -)曲线的联系CAFM探针的研究薄膜表面双相对应RS,负微分电阻(NDR)已被观察到的- - - - - -曲线的AFM探针接触与非盟NPs YSZ薄膜导电(“”)状态。NDR已经与共振隧穿电子通过size-quantized能量状态的超细直径(1到2海里)盟NPs YSZ薄膜的导电细丝建成的。

1。介绍

电阻开关(RS)是广泛的研究在过去的十年中由于在小说中的应用前景的非易失性计算机内存(电阻随机存取存储器,RRAM) [1]。RS的影响在于可逆变化的介电薄膜的电阻夹在两导电电极在外部电压(2]。今天的理解中的RS机制过渡金属氧化物是基于一个概念漂移的氧离子O²⁻(也可以理解为氧气空缺的漂移,V_O在外部电场电极之间的应用(3]。RS的普遍机制被认为是纳米导电纤维的形成和破裂在绝缘薄膜组成的V_O年代(4]。

最近,电导量子化的薄丝(厚度减少到原子尺度)已被观察到的实验(5,6]。当灯丝的一部分(“瓶颈”)是由一连串的V_O年代和单个V_O链中(或可数的这些数量)是由O²⁻离子(s),这样一个系统可以被视为一个量子点接触(QPC) [7- - - - - -9]。

早些时候,我们调查了超薄的RS (≈5 nm厚)yttria-stabilized氧化锆(YSZ)电影使用导电原子力显微镜(CAFM) [10]。这种方法已经被证明是一个强大的工具为研究纳米尺度的RS (11,12),尤其是个人细丝的成像和光谱(13]。我们已经观察到的电流电压的负微分电阻(NDR) (- - - - - -)曲线之间的联系CAFM探针和个人细丝的YSZ薄膜。NDR与共振隧穿电子通过纳米对象与量化能谱灯丝建成的。特别是,一个集群的V_O在灯丝瓶颈的其他部分分开灯丝的V_O由O²⁻离子能发挥作用的一个系统(14]。这似乎是一个模拟的双重障碍结构(DBS)第一次被张et al。15]。在这里,孤立的空置集群的角色量子阱(QW) size-quantized能谱和V_O由O²⁻离子扮演的角色tunnel-transparent潜在障碍分离size-quantized系统其余部分的灯丝(发射极和集电极的电子,职责)。

在本文中,我们报告CAFM调查RS的YSZ薄膜与嵌入式非盟的一层纳米粒子(NPs)。当前工作的目的是确认实验NDS的起源的假说- - - - - -曲线的细丝提议在前面研究[10)使用非盟NPs作为人工size-quantized系统内置的细丝。我们利用一个众所周知的事实,NPs集中介电薄膜内的电场,这种方式,启动灯丝在表面形成这些的16]。到目前为止,一个可以期待下的细丝新兴CAFM探针通过非盟NPs增长潜力。另一方面,早些时候,我们发现NDR隧道谱的个人盟NPs SiO₂(17]和YSZ [18]电影如果基质源自CAFM之间的共振隧穿电子探针和导电衬底通过大小量化电子能态超细盟NPs(~ 1海里)。然而,RS没有在这些实验研究:电压的差距应用CAFM探针和导电衬底是故意为了避免RS有限。在目前的研究中,除了滞后由于RS, NDR已被观察到的- - - - - -单个纤维的曲线。NDR的共振隧穿电子有关通过非盟NPs size-quantized州。

2。材料和方法

的YSZ薄膜厚度 沉积到呢n⁺si(100)底物(基质材料的电阻率是≈0.005Ω厘米)的高频磁控溅射使用托国际®2 g1-1g2-eb4-th1真空系统。本机氧化不是从硅基质中删除。Ar-O沉积进行了₂(50,50%摩尔。)从混合ZrO气体混合物₂可能是₂O₃压和烤粉目标。Y的摩尔分数₂O₃在目标材料≈0.12。衬底温度≈300°C。

单层盟NP阵列嵌入YSZ薄膜的沉积由YSZ / Au / YSZ结构随后退火(19]。首先,YSZ子层的厚度 3纳米沉积到基板上。接下来,坐落盟层厚度 沉积在YSZ子层使用直流磁控溅射的基于“增大化现实”技术的环境吗 。最后,YSZ包覆层厚度 3纳米沉积在相同的条件下,随着YSZ子层。样品退火在Ar在450°C环境1小时。一些样品已经在超高真空退火(特高压)环境(基础压力~ 10⁻¹⁰托)在300年和500°C 1小时。此外,≈6 nm厚YSZ薄膜在Si(100)基板没有非盟NPs在相同条件下沉积作为参考样本。

YSZ的结构:NP-Au电影已经被高分辨率研究横截面透射电子显微镜法(HR X-TEM) Jeol®jem - 2100 / F透射电子显微镜。加速电压是180千伏。更详细的信息的过程,制备YSZ: NP-Au电影及调查结果的结构和光学性质的电影中可以找到20.,21]。

CAFM测量进行特高压在室温下使用ο®特高压AFM / STM LF1扫描隧道/原子力显微镜安装到ο®多功能探针™RM特高压系统。基地内部的气体压力AFM室是∼10⁻¹⁰托。

实验的示意图表示如图1。NT联合化疗®NSG-11 DCP™CAFM探针与类金刚石涂层尖端曲率半径 被使用。当地YSZ薄膜的导电性研究通过测量之间的电流CAFM探针针尖和样品受调查样本表面的探针的位置(x,y在接触模式),而扫描固定的偏置电压CAFM探针和Si衬底。应该注意的是,由于3 nm厚的SiO₂电影在Si衬底,实际的AFM提示和衬底之间的电压降滴在一个相对较厚的结构厚度(9 - 10海里)。的相对不确定性测量范围0.1 -50 nA的不到1%。测量的不确定性STM的- - - - - -转换器(前置放大器)建于AFM / STM测量的校准电阻与电阻≈10 MΩCAFM探测器支架和样品持有人之间的电阻模拟隧道结(CAFM探针和样品表面)。内在STM前置放大器的噪声水平小于2。的不确定性生成的数模转换器ο®SCALA™电子控制系统~ 1 mV。

研究了RS通过记录循环- - - - - -曲线()probe-to-sample接触。的被从斜坡的方式来( 和 ),从来等等。在这里,的阈值电压开关从“关闭”状态到“ON”(“组”的过程)和是一个从“上”状态切换到“关闭”(“重置”过程)。在另一个测量模式中,选择区域在样品表面扫描模式与联系 为了转换纳米复合氧化膜在这个地区从“关闭”状态为“上”。为了开关膜物质从“上”状态到“关闭”,又扫描了在各自的区域 。转换的结果检查通过收购CAFM(或电流)的形象 在 , 。

3所示。结果与讨论

图2显示了YSZ / SiO X-TEM形象₂/ Si结构建成了非盟NP数组中间的YSZ薄膜。根据图2,近球形盟NPs直径 被关在一个几乎平面层内部的YSZ薄膜;YSZ薄膜的厚度≈6海里。在这个示例中,非盟NPs已经从一个有核非盟的电影'≈1 nm厚之间建造≈3海里的YSZ薄膜厚度在退火过程中。NPs的密度估计是≈5·10吗¹²厘米⁻²。平均平面NP中心之间的间距为4.5±0.3海里。

YSZ的AFM图像/ SiO₂/n⁺如果结构与非盟NPs嵌入式SiO附近₂/ YSZ界面如图3(一个)。纳米复合材料YSZ: NP:非盟的电影,而光滑的表面。例如,YSZ的表面的均方根粗糙度:NP-Au电影决定从AFM图像如图3(一个)≈0.9海里。

图3 (b)显示当前地图的空间分布调查YSZ薄膜表面(当前图像)测量同时AFM图所示3(一个)。收购前的AFM和当前图像,选择区域的YSZ: NP-Au膜表面500×500 nm²被扫描 (例如, )。注意,在ο®特高压AFM / STM,应用于样本相对于探针。领域的CAFM探针电流增加(当前频道)观察当前图像的YSZ: NP-Au电影如图3 (b)。这些斑点是由电流流经个人丝之前的扫描过程中形成的。早些时候,我们学习了的过程之间形成电场下的细丝CAFM探针和Si衬底(10]。电场强度的YSZ薄膜可以估计~ 。为 和 ,一个人~ 10⁷V /厘米。这个值接近YSZ的击穿电压(22),并足以启动纤维的形成。

因为它已被证明在10),丝生长优先在样品表面的地方,一些缺陷位于YSZ薄膜,如点缺陷(或缺陷集群)的YSZ和一些山丘或衬底表面的突起。这些缺陷集中CAFM探针和衬底之间的电场促进灯丝增长。的YSZ: NP-Au电影研究在目前的研究中,最有可能的是,非盟NPs促进灯丝增长的缺陷。上面已经提到,介质内的金属NPs电影被提高RS发挥作用的电场集中器(16]。

当前通道的大小(~ 100 nm)相同的数量级的值(≈70海里)。早些时候,我们展示了当前图像的大小的隧道内的本地化的电子状态透明介质的电影(如金属NPs,点检测,和缺陷集群)是由probe-to-sample接触面积的大小和形状,而不是依赖于缺陷大小本身(23]。这是一个表现的卷积效应24),反过来,是一种特殊情况下的一般原则的理论测量声称任何测量的结果的目标函数的卷积器。

在纤维成像的情况下,内核 在(1)代表tip-to-sample接触的面积。接触面积的大小 ,可以估计从赫兹问题的解决方案25),远远大于一个灯丝提示在膜表面(,反过来,可以低至一个V的大小_O在极限)。到目前为止,灯丝的目标函数 可以用狄拉克δ函数近似 。因此,根据(1), → 。换句话说,当成像相对较大的AFM探针的细丝 ,之一,而得到的形象tip-to-sample成像的联系δ功能纤维。

图4介绍了典型的- - - - - -曲线对YSZ CAFM探针的接触:NP-Au电影在实验中观察到。这些- - - - - -曲线可以分为以下四类。(我)单调的- - - - - -曲线(图4(一)典型的金属氧化物半导体(MOS)与隧道结构透明介质(26]。(2)的- - - - - -曲线与NDR(图4 (b)):这种类型的曲线(早些时候曾被观察到17,18tunnel-transparent介电电影]与嵌入式盟NPs,归因于CAFM探针之间的共振隧穿和导电硅衬底size-quantized州超细盟NPs (~ 1 nm大小)。(3)的- - - - - -曲线与butterfly-type滞后循环(图4 (c)):- - - - - -这种曲线已报告在文献中很多次(见,例如,27,28]),通常是由双RS在电场下的介电薄膜CAFM探针和导电衬底。(iv)的- - - - - -曲线明显的滞后和NDR同时(图4 (d))。

这里需要强调的是,最主要的区别(i)和(ii)一方面(数字4(一)和4 (b)、职责)和例(3)和(iv)另一方面(数字4 (c)和4 (d)、职责)包含在下面。在前两种情况,没有磁滞回路- - - - - -两个的曲线而在后者- - - - - -曲线出现了明显的滞后。这些案件不同于彼此的斜坡电压扫描范围。的极限扫描的情况下(i)和(ii)都不到 , ,故意为了避免RS。相反,例(3)和(4),大于设置的斜坡电压限制 , ,导致的磁滞回路循环的表现- - - - - -由于RS曲线。

值得注意的是,有许多文献报道的调查CAFM RS的环境空气(见,例如,12,28)和引用)。我们也试图再现测量YSZ的RS / Si电影CAFM在空气中使用NT-MDT®解决专业™AFM。我们已经观察到我- - - - - -V曲线的tip-to-sample接触磁滞环类似的呈现在图4 (c)。然而,稳定的我- - - - - -V曲线测量空气比以特高压的贫穷。我们认为这一事实的影响湿度环境空气污染:YSZ薄膜吸收的氧离子污染层,减少了YSZ薄膜中的氧空位的浓度,这种方式,抑制电阻切换。

的循环- - - - - -的曲线(iv)类似的呈现在图4 (d)曾被观察到在早些时候YSZ / Si电影没有NPs [10],归因于电子的共振隧穿一些量子物体离散能谱嵌入细丝。这个建议是基于概念的进一步发展QPC的灯丝(图“瓶颈”5(一个))提出了早些时候7,9]。也就是说,如果两个V_O年代的一个空缺链(代表灯丝的瓶颈,图5 (b))由O²⁻离子空位集群和灯丝的其他部分分开,这样一个系统可以体现NDR- - - - - -通过离散曲线,因为电子共振隧穿空位团的能量状态。这样的系统可能形成过程中快速溶解的细丝在重置过程中强烈的非平衡条件(14]。

在目前的研究中,我们属性的同步观测NDR的滞后- - - - - -曲线的联系对YSZ CAFM提示:NP-Au电影(图4 (d))通过共振隧穿电子在纳米级盟NPs size-quantized状态。细丝越来越多通过发射器的NPs发挥作用(或收藏家)的电子。图5 (c)提出这个建议机制的示意图表示的NDR而图6提出了一种均衡一维乐队的照片CAFM技巧与类金刚石涂层和YSZ: NP-Au / SiO₂/n⁺si(100)电影的非盟NP直径 嵌入到YSZ薄膜 附近的YSZ / SiO₂接口(例如, , )。乐队照片是计算在结构层厚度的研究在目前的研究从X-TEM结果(图中提取2)。计算过程的细节发表在[29日]。高度的能量障碍YSZ / Au / YSZ / SiO₂/n⁺si(100)结构得到从弹道电子发射显微镜的结果/光谱学(比姆/蜜蜂)测量(29日,30.]。很明显从图6的接触CAFM提示YSZ / Au / YSZ / SiO₂/ Si结构非对称DBS, SiO₂电影的角色第一隧道结。至于第二个障碍,众所周知,操作的记忆性细胞,没有必要完全快捷电极丝的“在”状态。如果薄(tunnel-transparent)灯丝之间的绝缘层仍然提示和反电极,电子的隧穿薄绝缘层似乎常常是必须提供足够的电导率的整个记忆性细胞状态(31日]。到目前为止,如果薄绝缘层(V_O由O年代了²⁻离子)仍然是灯丝提示和非盟NP之间,这绝缘层可以扮演第二DBS的隧道结。

此外,size-quantized电子能级盟NP计算根据球形量子点的模型(QD)有限势垒高度(32)一个非盟NP 在YSZ矩阵如图6。计算得到的细节在29日]。平均能量差距size-quantized能量水平在非盟NP与费米能级附近 可以估计≈0.6 eV。早些时候,比姆/蜜蜂申请调查的量子尺寸能谱盟NPs建于YSZ / Si结构存入相同条件下的使用准备YSZ: NP-Au / SiO₂/n⁺如果电影在目前的调查研究(29日]。大小的能量量子化州盟NPs测量实验是一致的计算根据球面QD的模型。因此,电子共振隧穿的条件很容易出现在调查YSZ: NP-Au电影。

在上述模型中,细丝从CAFM建议增加非盟NP(即。应该执行,形成 从灯丝)和电子的注入到NP发生在 。这只是循环的情况下- - - - - -曲线显示在图4 (d)。值得注意的是,一个可以执行形成CAFM提示(图5 (c))或从非盟NP(图5 (d))。丝的方向增长是由极性的当执行扫描的形成过程。相应地,极性的设置和重置流程(即。的方向磁滞回路的循环- - - - - -曲线)是两个以上不同的情况下(cf。数字7(一)和7 (b))。

值得注意的是滞后的- - - - - -的充电曲线也有可能产生非盟NPs的电子注入这些NPs从AFM提示或从Si衬底33]或离子迁移极化的YSZ薄膜(34]。然而,滞后的- - - - - -曲线一直在观察不仅yz电影与嵌入式盟NPs YSZ电影还没有这些的(见,例如,10])。因此,磁滞- - - - - -曲线的YSZ: NP-Au电影应该归结到RS比NPs的充电。

另一方面,滞后的- - - - - -metal-insulator-metal曲线(MIM)栈由于离子迁移极化特色的非零反向电流在零偏压(放电电流)。请注意,两个分支的循环- - - - - -曲线(向前分支以及反向)点 , (见图4 (c))。这是典型的RS和不是固有的离子迁移极化。

同时,在分析循环- - - - - -与磁滞曲线,应该区分的情况下- - - - - -曲线与NDR(像图中所示的4 (d)),当- - - - - -曲线的一组过程中包含一些缺陷或肿块。这种效应已经在文献中报道广泛,通常被称为“动态设置过程”(见,例如,(35,36])。记忆性细胞的动态设置过程与宏观(微米大小)电极通常归因于增长和燃烧的细丝由于焦耳过热因为太大电流流动虽然这些的。因此,新丝被涉及到金属电极之间的导电率,而不是燃烧的(37]。到目前为止,设置过程在这种情况下可能涉及几个“失败的尝试。“至于CAFM测量,我们也观察到这种“动态”RS CAFM下的介电薄膜探测器(见,例如,图8)。CAFM调查的情况下,不止一个灯丝CAFM探针接触下很难发生介电薄膜。到目前为止,在这种情况下,这样的一个动态RS可以归因于烧毁和恢复一个灯丝。根据(14),这样一个过程在强非平衡条件下是可能的。关键特性允许区分的“动态”RS和体现NDR由于共振隧穿的是,前者通常是在设置过程中观察到的现象(如- - - - - -曲线如图8),而后者可以表现在向后的分支- - - - - -“曲线”的状态- - - - - -曲线如图4 (d)。

4所示。结论

在目前的研究中,我们调查了当地电阻开关的超薄yttria-stabilized氧化锆薄膜嵌入Au纳米粒子使用导电原子力显微镜测量电流通过个人的细丝。除了butterfly-type磁滞回路- - - - - -曲线之间的联系CAFM提示和示例典型双相电阻开关的金属氧化物,负微分电阻被观察到。与共振隧穿的影响通过size-quantized Au纳米粒子的电子能态~ 1纳米大小的细丝。

数据可用性

所有数据支持发表结果包括在手稿中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由俄罗斯Megagrant计划支持(14. y26.31.0021)。TEM和CAFM测量使用共享研究机构进行的研究和教育中心的固态纳米结构的物理Lobachevsky下诺夫哥罗德的州立大学。