Efeito de campo ferroelétrico Efeito de comutação assimétrica resistiva induzida em BaTiO3 / Nb:SrTiO3 Heterojunções epitaxiais

Resumo

Processos de comutação resistivos assimétricos foram observados em BaTiO ₃ / Nb:SrTiO ₃ heterojunções epitaxiais. O tempo de comutação SET do estado de alta resistência para o estado de baixa resistência está na faixa de 10 ns sob a polarização de + 8 V, enquanto o tempo de comutação RESET do estado de baixa resistência para o estado de alta resistência está na faixa de 10 ⁵ ns abaixo de - polarização de 8 V. A triagem de polarização ferroelétrica controlada por elétrons e vacâncias de oxigênio no BaTiO ₃ / Nb:SrTiO ₃ heterointerface é proposta para entender essa diferença de tempo de comutação. Este switch com rápida transição SET e lenta RESET pode ter aplicações potenciais em algumas regiões especiais.

Histórico

Os efeitos de chaveamento resistivo ferroelétrico têm atraído muitos interesses de pesquisa, uma vez que a reversão da polarização é baseada em mecanismo puramente eletrônico, que não induz alteração química e é um fenômeno intrinsecamente rápido [1, 2]. Efeitos de comutação resistiva ferroelétrica foram observados em heterojunções ferroelétricas imprensadas por dois eletrodos de metal ou semicondutores [3,4,5]. Muitos comportamentos interessantes foram observados em heterojunções ferroelétricas / semicondutoras. Por exemplo, uma eletrorresistência de tunelamento bastante aprimorada é observada em BaTiO ₃ (BTO) / (001) Nb:SrTiO ₃ (NSTO) [4, 5] e MoS ₂ / BaTiO ₃ / SrRuO ₃ [6] heterojunções, uma vez que tanto a altura quanto a largura da barreira podem ser moduladas pelo efeito do campo ferroelétrico. Uma coexistência de comutação resistiva bipolar e resistência diferencial negativa foi encontrada em BaTiO ₃ / (111) Nb:SrTiO ₃ heterojunções [7]. A eletroresistência opticamente controlada e a fotovoltagem eletricamente controlada foram observadas em Sm _0.1 Bi _0,9 FeO ₃ / (001) Nb:SrTiO ₃ heterojunções [8]. Uma curvatura de banda modulada por polarização ferroelétrica foi observada no BiFeO ₃ / (100) NbSrTiO ₃ heterointerface por microscopia de tunelamento de varredura e espectroscopia [9]. Uma transição do efeito de retificação para o efeito de comutação resistiva bipolar foi observada em BaTiO ₃ / Heterojunções ZnO [10].

Aqui, observamos um efeito de comutação resistiva assimétrica no BaTiO ₃ / Nb:SrTiO ₃ Junção Schottky, que ainda não foi relatada. Além disso, propomos um efeito de campo ferroelétrico para entender este efeito de chaveamento resistivo assimétrico. Especificamente, a transição SET do estado de resistência alta para baixa está em 10 ns sob a polarização de + 8 V, enquanto a transição RESET do estado de resistência baixa para alta está na faixa de 10 ⁵ ns abaixo de - 8 V. Isso pode ser compreendido pela triagem de polarização ferroelétrica por elétrons e vacâncias de oxigênio no BaTiO ₃ / Nb:SrTiO ₃ interface. Essa opção com transições SET rápidas e transições RESET lentas pode ter aplicações potenciais em algumas regiões especiais.

Métodos

Os substratos comerciais (100) de NSTO com 0,7% em peso foram limpos sucessivamente em 15 minutos com etanol, acetona e água desionizada e, em seguida, soprados com ar antes da deposição. O filme BTO foi cultivado em substratos de NSTO por deposição de laser pulsado (PLD) usando um excimer laser KrF (248 nm, duração de pulso de 25 ns, COMPexPro201, Coerente) a uma energia de 300 mJ e frequência de 5 Hz, com o vácuo de base de 2 × 10 ⁻⁴ Pa. Durante o crescimento, a temperatura do substrato foi mantida a 700 ° C e a distância substrato-alvo foi de 6,5 cm. A pressão parcial de oxigênio era de 1 Pa e o tempo de crescimento de 15 min. Após o crescimento, a amostra foi mantida sob pressão parcial de oxigênio de 1 Pa por 10 min e, em seguida, a temperatura foi reduzida para a temperatura ambiente de 10 ° C / min em ambiente de vácuo. A espessura dos filmes finos de BTO é de cerca de 100 nm. Eletrodos Au top (0,04 mm ² ) foram pulverizados em filmes finos de BTO através de uma máscara de sombra por pulverização catódica DC magnetron, e o eletrodo inferior foi de índio (In) pressionado em substrato NSTO. O medidor de origem Keithley 2400 foi usado para realizar medições de transporte. Os pulsos de tensão foram fornecidos por um gerador de forma de onda arbitrária (Agilent 33250A) com uma duração de pulso variando de 10 ns a 1 s. Os resultados da microscopia de força atômica (AFM), da microscopia de força piezoresposta (PFM) e da microscopia de varredura Kelvin (SKPM) foram realizados para caracterizar a morfologia, ferroeletricidade e potencial eletrostático da superfície do filme BTO por um instrumento Oxford AR. A fase fora do plano do PFM, a amplitude do PFM fora do plano, a corrente e as imagens SKPM foram gravadas com uma ponta condutiva enviesada de 0,5 V sobre a mesma área após escrever uma área de 2 × 2 μm ² com - 8 V e, em seguida, o central 1,25 × 1,25 μm ² quadrado com + 8 V. Em todas as medições, os eletrodos inferiores foram aterrados e as tensões foram aplicadas nos eletrodos superiores ou na ponta. Todas as medições foram efectuadas à temperatura ambiente.

Resultados e discussão

A Figura 1a-d mostra as curvas de corrente-tensão do sistema Au / BTO / NSTO / In medidas em pequenos vieses entre - 0,5 e 0,5 V após a aplicação de um pulso com diferentes amplitudes e larguras, em que Fig. 1a, b é medida após pulsos em largura de 100 ms com várias amplitudes, enquanto a Fig. 1c, d é medida após pulsos em amplitudes de + 8 e - 8 V com várias larguras, respectivamente. A Figura 1e-h mostra a resistência de junção registrada em - 0,3 V após a aplicação de pulsos de tensão com diferentes amplitudes e larguras a partir do estado de alta resistência (HRS) (Fig. 1e, g) ou estado de baixa resistência (LRS) ( Fig. 1f, h), onde as larguras de pulso nos painéis eef são de 100 ms e as diferentes curvas nos painéis eef correspondem a diferentes medições consecutivas, com tensões máximas variando positivas ou negativas. A inserção da Fig. 1a mostra o desenho esquemático da estrutura do dispositivo. A comutação resistiva em Au / BTO / NSTO é demonstrada pelas curvas de corrente-tensão em pequena polarização e os loops de resistência como uma função das amplitudes do pulso de escrita, após um pulso relativamente longo de 100 ms ter sido aplicado pela primeira vez com amplitudes variadas de - 8 a 8 V, como mostrado na Fig. 1a, b, e, f. Obviamente, os pulsos positivos podem definir o dispositivo para o estado de baixa resistência, enquanto os pulsos negativos mudam o dispositivo de volta para o estado de alta resistência. Curiosamente, ambas as alternâncias entre os estados LIGADO e DESLIGADO são graduais, o que é útil para dispositivos de comutação de resistência multiestado, independentemente de começar em HRS ou LRS. Essas transições graduais entre o HRS e o LRS também foram observadas no BTO / La _0,67 Sr _0,33 MnO ₃ junção do túnel ferroelétrico [2]. Um ciclo de histerese entre o baixo- (3 × 10 ⁴ Ω) e alto- (3 × 10 ⁶ Ω) estados de resistência são observados, com uma grande relação OFF / ON de 100 quando a tensão de gravação é varrida entre + 8 e - 8 V (Fig. 1e, f, curvas pretas). Os loops menores na Fig. 1e, f mostram que o estado final de resistência pode ser ajustado com precisão entre o HRS e o LRS, dependendo do protocolo de ciclagem. Da mesma forma, um pulso de escrita com amplitude variável de -8 a 8 V e largura de 10 ns a 1 s foi aplicado ao dispositivo, e as curvas IV e a resistência da junção foram subsequentemente registradas como uma função da largura do pulso de escrita, conforme mostrado em Fig. 1c, d, g, h. Obviamente, a comutação entre HRS e LRS ocorre apenas quando a duração do pulso de tensão positiva (negativa) é longa o suficiente e a amplitude é grande o suficiente. Para ambos os processos SET e RESET, a duração do pulso está ficando menor com o aumento da amplitude da tensão de pulso absoluta. Especificamente, o tempo de comutação de HRS para LRS é notavelmente rápido, em que pulsos de 10 ns acima de 4 V são suficientes para saturar a resistência de junção, como mostrado na Fig. 1g. Em contraste, a comutação completa para o HRS só é realizada por pulsos RESET relativamente longos na escala de tempo de milissegundos, como mostrado na Fig. 1h. Para a aplicação de dispositivos memristivos, a Fig. 1e-h também mostra que a operação multinível pode ser alcançada programando-se a amplitude ou duração da tensão de pulso.

As curvas de corrente-tensão do sistema Au / BTO / NSTO / In em pequenos vieses entre - 0,5 e 0,5 V após a aplicação de um pulso de largura de 100 ms com várias amplitudes ( a , b ) As curvas de corrente-tensão do sistema Au / BTO / NSTO / In em pequenos vieses após a aplicação de um pulso com uma amplitude de + 8 V ( c ) e - 8 V ( d ) com várias larguras de pulso. A resistência de junção do sistema Au / BTO / NSTO / In registrada em - 0,3 V após a aplicação de pulsos de tensão com várias amplitudes e larguras a partir do HRS ( e , g ) ou LRS ( f , h ), onde as larguras de pulso em e e f são 100 ms e as curvas diferentes em e e f correspondem a diferentes medições consecutivas, com variando as tensões máximas positivas ou negativas. A inserção de a mostra o desenho esquemático da estrutura do dispositivo

As imagens da topografia na Fig. 2a mostram que a superfície do filme BTO é atomicamente plana, o que evita curto-circuitos entre os eletrodos superior e inferior [11]. Os loops de histerese fora do plano de microscopia de força de resposta piezoresposta (PFM) mostrados na Fig. 2b indicam a natureza ferroelétrica dos filmes BTO. As tensões coercitivas locais são cerca de + 3,1 e - 3,1 V, indicadas pelos mínimos do loop de amplitude, conforme mostrado na Fig. 2b. A Figura 2c-f mostra a fase fora do plano do PFM, a amplitude do PFM fora do plano, a corrente e as imagens SKPM dos domínios ferroelétricos gravados na superfície BTO gravada sobre a mesma área na Fig. 2a após escrever uma área de 2 × 2 μm ² com + 8 V e, em seguida, o central 1,25 × 1,25 μm ² quadrado com - 8 V usando uma ponta condutiva polarizada. Uma corrente menor (maior) é observada sobre o domínio central (externo) com uma polarização ferroelétrica apontando para longe do (para) substrato semicondutor quando o BTO é polido por - 8 V (+ 8 V). Isso tem sido usado como uma evidência essencial para demonstrar o efeito de chaveamento resistivo dependente da polarização em heterojunções ferroelétricas [4]. Além disso, pode-se observar que a condução tanto no HRS quanto no LRS são bastante uniformes, portanto não há formação de filamentos condutores. De acordo com o princípio do SKPM, ele mede distribuições bidimensionais da diferença de potencial de contato entre a ponta e a amostra com resolução na faixa nanométrica. A diferença de potencial de contato pode ser convertida para a função de trabalho da amostra se a medição for realizada em estado de termoequilíbrio, e é o potencial elétrico quando uma polarização é aplicada à amostra. Assim, um viés de ponta positivo (negativo) atrairia os íons negativos (positivos) e / ou cargas de polarização para a superfície, tornando o potencial de superfície mais baixo (mais alto) [12]. Esta previsão é consistente com nossas observações na Fig. 2f, confirmando as variações das cargas de polarização como os efeitos principais. Assim, a troca de resistência em heterojunções BTO / NSTO pode ser entendida por reversão de polarização ferroelétrica, que também foi discutida em nossos relatórios anteriores [13]. No entanto, a velocidade de operação para SET e RESET deve ser da mesma ordem de 10 ns para reversão de polarização puramente ferroelétrica [2], o que é oposto às nossas observações de diferença de quatro ordens entre a velocidade de SET e RESET, como mostrado na Fig. 1g, h. Então surge uma pergunta sobre como entender a diferença de velocidade de operação de SET e RESET?

a Morfologia da superfície dos filmes de BTO em substratos de NSTO. b Loops de histerese fora do plano do PFM local:azul, sinal de fase; preto, sinal de amplitude. c Fase fora do plano de PFM, d Amplitude fora do plano do PFM, e atual, e f Imagens SKPM gravadas na mesma área ( a ) depois de escrever uma área de 2 × 2 μm ² com - 8 V e, em seguida, o central 1,25 × 1,25 μm ² quadrado com + 8 V usando uma ponta condutiva polarizada. A barra de escala é 500 nm para as imagens de a e c - f . Os rótulos em c - e correspondem ao valor da corrente fora do plano, fase do PFM e amplitude do PFM, respectivamente

A aparente assimetria no tempo de comutação também foi observada em Al / W:AlO _x / WO _y / W [14], La _2/3 Sr _1/3 MnO ₃ /Pb(Zr_0.2 Ti _0.8 ) O ₃ / La _2/3 Sr _1/3 MnO ₃ [15], e Pt / LaAlO ₃ / SrTiO ₃ [16] dispositivos. Wu et al. propôs uma reação redox assimétrica em W:AlO _x / WO _y dispositivos de bicamada e atribuiu a diferença de tempo de comutação às diferentes energias livres de Gibbs em AlO _x e WO _y camadas [14]. No entanto, na heterojunção BTO / NSTO presente, a tensão só pode ser aplicada ao filme BTO, uma vez que o NSTO é um semicondutor fortemente dopado. Assim, a reação redox assimétrica pode ser descartada no presente trabalho. Qin et al. e Wu et al. atribuem a assimetria no tempo de comutação aos diferentes campos elétricos internos que conduzem a migração de vacância de oxigênio através do LSMO / Pb (Zr _0.2 Ti _0.8 ) O ₃ e LaAlO ₃ / SrTiO ₃ interfaces [15, 16]. De acordo com este modelo de vacâncias de oxigênio através da interface, a vacância de oxigênio migrará de BTO para NSTO sob um viés positivo, e a resistência em BTO aumentará devido à diminuição da concentração de vacância de oxigênio em BTO, enquanto a resistência em NSTO não mudará muito porque já possui alta concentração de doadores de Nb; assim, a resistência de todo o sistema aumentará sob polarização positiva, o que é oposto à nossa observação na Fig. 1. Além disso, o processo iônico é suposto ser muito mais lento do que o processo de elétron, portanto, um processo de íon puro não pode ser responsável pelo processo SET rápido de 10 ns, conforme mostrado na Fig. 2g. Portanto, é difícil entender a velocidade de chaveamento resistivo assimétrico considerando apenas o processo físico de reversão de polarização ou processo químico de vacâncias de oxigênio derivadas. Na verdade, uma velocidade de chaveamento assimétrica também foi observada nas junções de Schottky Au / NSTO [17] e ZnO / NSTO [18]. Uma barreira Schottky assimétrica também pode levar a uma velocidade de comutação resistiva assimétrica. No entanto, com base nos resultados de PFM e SKPM, a comutação resistiva na heterojunção BTO / NSTO no presente trabalho é observada como sendo causada pelo efeito do campo ferroelétrico. Portanto, propomos um modelo de reversão da polarização ferroelétrica acoplado à migração da vacância de oxigênio através da interface BTO / NSTO para entender esse comportamento assimétrico.

A Figura 3 mostra desenhos esquemáticos (Fig. 3a, b) e perfis de energia potencial correspondentes (Fig. 3c, d) das estruturas Au / BTO / NSTO para os estados de baixa e alta resistência. No BTO, as setas vermelhas denotam as direções de polarização e os símbolos “mais” e “menos” representam cargas ligadas ferroelétricas positivas e negativas, respectivamente. Os símbolos “mais circulados” representam as vacâncias de oxigênio ionizado. As setas azuis mostram a direção das vacâncias de oxigênio flutuando na interface BTO / NSTO. Para simplificação, assumimos que as cargas ferroelétricas ligadas na interface Au / BTO podem ser perfeitamente selecionadas. Portanto, a altura da barreira na interface Au / BTO é fixa e não muda com a reversão da polarização. A altura da barreira na interface BTO / NSTO se tornará menor (maior) com a polarização apontando para a interface do eletrodo inferior (superior), levando a um estado de baixa (alta) resistência sob uma polarização positiva (negativa). Para a interface do eletrodo superior de Au / BTO, ambas as cargas ligadas ferroelétricas positivas e negativas podem ser perfeitamente filtradas por elétrons e buracos, respectivamente, sob a polarização positiva e negativa. Assim, as velocidades de triagem podem sempre ser tão rápidas quanto centenas de picossegundos [19]; ambas as velocidades SET e RESET devem estar na mesma escala de tempo, de modo que a interface do eletrodo superior de Au / BTO não pode levar em conta a velocidade de comutação resistiva assimétrica. No entanto, para a interface do eletrodo inferior do BTO / NSTO, as cargas ligadas ferroelétricas e positivas podem ser filtradas por elétrons e vacâncias de oxigênio, respectivamente, sob polarização positiva e negativa. Na verdade, as vacâncias de oxigênio podem migrar através da interface BTO / NSTO, de BTO para NSTO (de NSTO para BTO) para pontos de polarização em direção a (longe de) NSTO sob uma polarização positiva (negativa) aplicada no eletrodo superior. Quando a polarização ferroelétrica é apontada do eletrodo superior para o inferior, os elétrons são necessários para filtrar as cargas ligadas ferroelétricas positivas na interface do eletrodo inferior; assim, apenas a velocidade de movimento dos elétrons afetará a velocidade de AJUSTE no processo de chaveamento resistivo. Quando a polarização ferroelétrica é apontada do eletrodo inferior para o superior, as lacunas de oxigênio são necessárias para filtrar as cargas ligadas ferroelétricas negativas na interface do eletrodo inferior; assim, a velocidade de movimento das vacâncias de oxigênio restringirá a velocidade de RESET no processo de chaveamento resistivo. Uma vez que a migração de vacâncias de oxigênio leva muito mais tempo do que a dos elétrons, a velocidade SET restrita por elétrons será muito mais rápida do que a velocidade de RESET restrita por vacâncias de oxigênio, o que é consistente com nossa observação. Além disso, a transição entre a triagem eletrônica e a triagem de vacância de oxigênio também foi observada no BiFeO ₃ /La_0,7 Sr _0.3 MnO ₃ interface [20], que confirma ainda mais o mecanismo proposto para a comutação resistiva assimétrica no presente trabalho.

Os desenhos esquemáticos ( a , b ) e perfis de energia potencial correspondentes ( c , d ) das estruturas Au / BTO / NSTO para os estados de baixa e alta resistência. No BTO, as setas vermelhas denotam as direções de polarização, e os símbolos “mais” e “menos” representam cargas ligadas ferroelétricas positivas e negativas, respectivamente. Os símbolos “mais circulados” representam as vacâncias de oxigênio ionizado. As setas azuis mostram a direção das vacâncias de oxigênio flutuando na interface BTO / NSTO

Conclusões

Em conclusão, o tempo de chaveamento resistivo assimétrico é observado em heterojunções BTO / NSTO. A duração do pulso necessária para a operação RESET é quatro ordens a mais do que para o processo SET. As cargas positivas e negativas ligadas ao ferroelétrico filtradas por elétrons e vacâncias de oxigênio na interface BTO / NSTO desempenham um papel importante em uma polarização positiva e negativa, respectivamente. O processo de seleção de elétrons é muito mais rápido do que o de vacâncias de oxigênio, então a transição SET (HRS para LRS) induzida por viés positivo é muito mais rápida do que a transição RESET (LRS para HRS) induzida por viés negativo. Além disso, essa chave exibe uma transição rápida de SET e lenta de RESET, que pode ter aplicações potenciais em algumas regiões especiais.

Abreviações

BTO:: BaTiO ₃
HRS:: Estado de alta resistência
LRS:: Estado de baixa resistência
NSTO:: Nb:SrTiO ₃
PFM:: Microscopia de força Piezoresponse
SKPM:: Microscopia de varredura de sonda Kelvin

Fotocondutividade entre bandas de pontos quânticos InAs / InGaAs metamórficos na janela de 1,3-1,55 μm Investigação sobre as características físico-químicas de um sistema baseado em nanolipossomas para administração dupla de medicamentos

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