氧化物阻变效应动态过程及相关机理研究

Recently, the resistive switching (RS) effect in oxide materials has attracted great attention of both research institutes and companies due to its petential application for the next generation non-volatile memory, known as resistive random access memory (RRAM). This effect is also related to many interesting physical phenomena of dielectric materirals, such as the non-equilibrium transport, the low-dimensional system and the percolation theory. However, the ambiguousness of physical mechanism of RS effect has became a bottleneck in the practical application of RRAM. In this project, the dynamic processes of switching behavior in several typical RRAM devices will be systematically investigated. Comparing with the common methods, the research on switching dynamics will give us some new information regarding the inherent physical properties of the certain device from another point of view. The obtained dynamic chacteristics and switching parameters can act as direct experimental evidences to clearly clarify the intrinsic driving mechanism in various RS systems. Moreover, by combining the simulation result and experimental data, a microscopic physical model will be established to give an insight into the soft breakdown of oxide insulators. The proposed model will help us further understanding the formation and evolution processes of conductive channels in the dielectric layer, which can provide the theoretical prediction of switching performance and act as the design guildline of RRAM devices.

氧化物阻变效应不仅在下一代非易失性存储技术的研发上具有着巨大的应用前景，同时还涉及到介质材料中非平衡输运过程，低维体系和渝渗理论等丰富的物理现象，是一个目前被学术界和产业界所共同关注的热点研究课题。然而，氧化物材料阻变效应物理机制的不清楚不明确已经成为了制约阻变存储技术大规模实用化的瓶颈问题。本项目将在不同阻变体系中选取典型器件作为研究对象，主要针对其阻变效应的动态过程开展系统地研究。与目前模式化的常规测量方法相比，阻变动态过程的研究可以从一个新的角度来表征和分析不同阻变体系的内在物理性质和特征规律。这些新的阻变特性参数将为进一步阐明不同阻变体系所对应的物理机制提供更明确的实验证据。进一步地，我们希望利用计算模拟和实验数据相结合的手段，建立起氧化物介质软击穿过程中导电通道形成演化的清晰物理模型，从而为阻变存储器的器件设计和性能优化提供理论预测和指导。

氧化物阻变效应在下一代非易失性存储技术的研发上具有着巨大的应用前景，同时还涉及到介质材料中非平衡输运过程，低维体系和渝渗理论等丰富的物理现象，是一个被学术界和产业界所共同关注的热点研究课题。本项目以几类典型的氧化物材料作为研究对象，主要研究光电磁等外场协同作用下对器件阻变性能、氧空位迁移规律及其动态响应过程的影响。以此为基础提出了阻变器件结构设计和性能优化的技术方案，成功地制备原型器件并得到了符合预期的实验验证。项目实施顺利，取得了一系列具有创新性的研究成果，主要包括：1) 基于钨氧化物电致变色效应和光学显微方法，成功在捕获了微米尺度导电通道的形成演变过程，建立起导电通道微观特征与器件宏观电学特性之间的关联性。通过原位观测成功建立了双极器件set/reset操作电学响应曲线细节与导电细丝以及弧形光晕形貌特征之间的一一对应关系，为如何调控器件稳定性、阻变窗口、多阻态等性能提供了最直观的物理图像。2)系统研究了平面结构氧化钛纳米线器件中的阻变行为，发现由于器件尺度限制，纳米线中氧离子在电场驱动下的迁移过程导致纳米线两端氧空位浓度的非均匀分布，从而呈现出极性可逆的整流特性电流电压曲线，并且在激光辐照下也得到了方向相反的光电流信号，体现出纳米线器件多场读取的可能性。基于器件缓变型的记忆二极管行为，我们成功地在同一器件单元中演示出了神经元突触的STDP、反STDP和Hebb效应等多种不同响应机制。这一结果表明了利用单一阻变器件实现多维神经元复合功能的可能性，对于复杂神经体系的模拟以及了人工神经网络的优化设计具有积极的意义。3）系统研究了室温多铁材料铁酸铋的电输运行为、铁电性和光电特性之间的关联性，阐明了铁酸铋材料中铁电极化电荷、铁电畴重构和氧空位缺陷分布对其器件特性的影响和调控作用，通过合理的设计我们将能够实现BiFeO3器件铁电特性，阻变特性以及光电效应三者的耦合，展示出BiFeO3基器件在多维度存储、多功能应用方面的前景。