应力载荷对功能薄膜阻变性能的调控及其机理研究

Resistive random access memory (RRAM) is provided with excellence of the simple structure, comparatively smaller size, less energy intensive, lower costs, better scalability and integratability, which extremely likely becomes the major storage device of next-generation. Therefore it has significant value in fundamental researches and device development. So far, researches on resistive switching (RS) performance are still confronted with some problem, such as poor stability and low resistance ratio in RS devices, ambiguous micro-mechanism in RS process etc.. More importantly, so far no further study on stress-electric coupling effect of RS performance or correlational research about mechanical-load tuning effect on RS behavior has been reported, with the prospects for their applications to be further discovered. In this project, with three-types (including ferroelectric, piezoelectric and dielectric) and two kinds of structure (including single-layer and compound structure) thin film being taken into consideration, we will conduct a systematical investigation on response behaviors of different RS thin film to mechanical load. With combining the RS theory now available and comprehensively considering stress gradient, polarization, charge distribution, surface/interfacial effect, point effect and piezoelectric effect etc., the project will make an in-depth study on the tuning effect from mechanical load to RS behavior, exploring regulating laws and building appropriate regulating model, and to find optimal mechanical-load-tuning methods for RS performance improvement, which should lay a research foundation for related device intelligentialize and applications.

阻变存储器以其结构简单、体积小、耗能少、成本低、延展性好且易集成等显著优势，极可能成为下一代核心存储器件，因而在基础研究与器件开发方面均有着重要的研究价值。目前，材料阻变性能的研究还存在许多问题，如稳定性普遍较差，高低阻值比有待提高，阻变的微观机理还没有一致定论等，更未见针对材料阻变性能的力-电耦合效应深入探讨或探索其力电可调控性的相关研究报道，其应用前景仍待进一步开发。本项目将针对三种类型（铁电、压电、介电）、两类结构（单一、复合）薄膜，系统研究薄膜阻变性能对应力载荷的响应行为。本项目更重点结合现有的阻变理论，综合考虑应力梯度、极化、电荷分布、表面/界面效应、尖端效应及压电效应等诸多因素，探索该力电耦合与调控作用的微观机理，揭示调控规律并建立相应的力电调控模型，以期寻求最优的力电调控方案，为阻变存储器的智能化发展及应用奠定研究基础。

基于本项目提出的研究内容展开了一系列的研究，基本完成了本项目中提出的研究内容。主要研究成果包括以下五个方面：（1）利用溶胶-凝胶旋涂法制备获得了物相纯净、厚度均匀、形貌良好的三种类型（铁电、压电、介电），两类（单一、复合）结构的阻变薄膜，并对各类薄膜的电阻开关性能进行了系统的研究（阻变电压、电流、高低阻态阻值等），获得了阻变性能稳定可靠的多种薄膜，包括：PLT、ZnO、TiO2、TiO2/PLT、ZnO/BFO阻变薄膜；（2）基于探针测试平台、Keithley源表等设备，设计并成功搭建了应力探测系统和力电响应测试平台，实现了应力载荷的实时定量测试及灵活控制。（3）对已获得的具有稳定可靠阻变性能的薄膜进行了不同应力载荷下的I-V性能可调控性测试，研究了其阻变性能随应力载荷的变化规律。得出结论：应力载荷对铁电PLT薄膜的阻变性能（Set电压及电流、高低阻态阻值等）有很强的调控作用；对压电ZnO薄膜的阻变性能也有一定的调控作用，但对介电TiO2薄膜的阻变性能无明显调控作用。（4）基于电阻开关的导电丝模型和肖特基势垒模型，研究了三类薄膜在应力载荷下的阻变过程，探究了阻变微观机理，并提出了调控模型。力-电耦合调控开关行为的实质为调控阻变薄膜内部空间电荷的分布（探针施加的应力使得膜内产生了多种电效应，如尖端效应、压电效应、挠曲电效应、自发极化等），从而调控阻变薄膜内部导电丝的通断行为，探针应力引起膜内的电效应越强则对导电丝的通断行为影响越大，调控作用也就越明显。因此，在选取合适的薄膜材料的前提下，应力载荷确实可以作为一种有效的动态工具来调控阻变薄膜的电阻开关行为（5）将力-电调控的思想合理的拓展并应用到微波介质陶瓷材料的性能调控中。以改变晶体内部化学键中的作用力为出发点，充分考虑本征因素和非本征因素的影响，实现了对微波介质陶瓷Q值的优化调控。基于本项目的研究成果，我们将继续拓展力-电调控研究领域，这些研究成果为我们后续的研究奠定了重要基础。