ОДНОСТОРОННЯЯ ПРОВОДИМОСТЬ МЕМРИСТИВНОЙ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ НАНОТРУБОК ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ
ОДНОСТОРОННЯЯ ПРОВОДИМОСТЬ МЕМРИСТИВНОЙ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ НАНОТРУБОК ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ
Аннотация
Методом анодирования синтезированы нанотрубки ZrO2 с внешним диаметром 25 нм. Методом магнетронного напыления изготовлены образцы мемристоров со слоистой структурой Zr/ZrO2/Au. Измерены вольт-амперные характеристики в полных циклах резистивного переключения. Продемонстрирована односторонняя проводимость исследуемой структуры. На основании изменения электрического сопротивления мемристоров при воздействии приложенного напряжения сделан вывод о высокой синаптической пластичности Zr/ZrO2/Au мемристоров.
1. Введение
В настоящее время одним из перспективных направлений в создании нейрочипов, элементов нейровычислительных систем и искусственных нейронных сетей (ИНС) является разработка гибридных схем с аналого-цифровой архитектурой, совмещенной с кроссбар-структурой , , . В таких схемах нейроны изготавливают на основе обычных интегральных КМОП-транзисторов, аксонами и дендритами служат металлические проводники кроссбар-структуры. При этом роль синапсов выполняют двухполюсные мемристоры коммутационной матрицы в точках схождения проводников, которые соединяют пресинаптические и постсинаптические нейроны.
Как правило, связи между нейронами в существующем многообразии архитектур ИНС являются однонаправленными с точки зрения распространения возбуждения . В связи с этим перспективным представляется создание и исследование мемристивных структур металл/диэлектрик (полупроводник)/металл (МДМ-структур) с односторонней электрической проводимостью и возможностью ее варьирования при изменении прошедшего электрического заряда.
Ранее , , , эффект обратимого резистивного переключения наблюдался в МДМ-структурах на основе оксидов переходных металлов (TiO2, ZrO2, HfO2 и др.) различной морфологии, полученных методом электрохимического окисления. В таких твердотельных средах мемристивное поведение обеспечивается, как правило, подвижностью катионных или анионных вакансий в слое диэлектрика, а его толщина и дефектность определяют состояния с низким (LRS), промежуточным (IRS) и высоким (HRS) электрическими сопротивлениями , , . Известно, что анодные оксидные слои обладают сильной нестехиометрией по кислороду , , что и обеспечивает для них широкий диапазон изменения электрического сопротивления. Кроме того, подбор материала верхнего электрода позволяет получить МДМ-структуру с односторонней проводимостью за счёт образования диода Шоттки на границе металл/оксид .
Цель настоящей работы заключалась в изготовлении, аттестации сэндвич-структур с односторонней электрической проводимостью на основе массивов нанотубулярного диоксида циркония и исследовании их статических вольт-амперных характеристик.
2. Основные результаты
2.1. Изготовление МДМ-структуры
Мемристивная структура Zr/ZrO2/Au изготовлена с помощью методов анодирования металлического Zr и магнетронного напыления Au на поверхность оксидного слоя.
Металлическая фольга Zr толщиной 120 мкм, которая использовалась для синтеза поверхностного слоя ZrO2, предварительно промывалась ацетоном, обрабатывалась раствором кислот HF:HNO3:H2O = 1:6:20, промывалась дистиллированной водой и сушилась на воздухе. Процесс анодирования проводился в двухэлектродной ячейке при постоянном напряжении 20 В в течение 15 мин. Электролитом являлся раствор этиленгликоля, содержащий 5 мас. % H2O и 1 мас. % NH4F. Все химические реактивы были аналитической чистоты.
На поверхность полученного образца структуры Zr/ZrO2 наносились золотые контакты с помощью шаблона с отверстиями диаметром 1 мм на установке магнетронного напыления Q150T ES Quorum Technologies. Осаждение производилось в течение 500 с, в результате толщина напылённого слоя Au составила 50 нм. Таким образом, в рамках единого процесса были сформированы 100 мемристоров Zr/ZrO2/Au.
2.2. Аттестация ZrO2 и измерение ВАХ
Морфология синтезированных структур исследовалась с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) SIGMA VP Carl Zeiss, оборудованного in-lens детектором в режиме высокого вакуума.
Измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) в статическом режиме проводились на оригинальной экспериментальной установке на основе микрозондовой станции Cascade Microtech MPS150 и управляемого модульного источника-измерителя NI PXIe‑4143. Циркониевая фольга заземлялась, а на Au-контакты подавался гармонический сигнал U(t) = U0 + Umsin(2pft) c частотой f = 0.01 Гц . Амплитуда приложенного напряжения Um и напряжение смещения U0 варьировались для изменения U(t) в диапазоне от –8 В до 8 В. Автоматизация процедуры измерения и сохранения экспериментальных данных осуществлялось с использованием виртуального прибора VI «CVC» в графической среде программирования LabVIEW .
2.3. Аттестация нанотубулярного массива ZrO2
Рисунок 1 - Нанотубулярный массив диоксида циркония
Примечание: А – вид сверху; Б – вид сбоку
Рисунок 2 - Зависимости приложенного напряжения U (пунктирная линия) и протекающего тока I (сплошная линия) от времени t для мемристора Zr/ZrO2/Au
Рисунок 3 - Вольт-амперные характеристики резистивного переключения мемристора Zr/ZrO2/Au при U ≥ 0
Примечание: А) U0 = 2 В, Um = 6 В; Б) U0 = 0 В, Um = 8 В;
стрелками показано направление записи ВАХ; на вставке приведена эквивалентная схема исследуемой МДМ-структуры
Для исследуемой Zr/ZrO2/Au структуры выполнены оценки статического электрического сопротивления R в различных состояниях при U = 5 В: RHRS = (13 ± 1) кОм (состояние IRS с наибольшим сопротивлением), а значения RIRS варьируются от 5.2 до 0.35 кОм. При этом отношение RHRS / RLRS = 2–37, что свидетельствует о широком диапазоне изменения проводимости исследуемой мемристивной структуры.
3. Заключение
В настоящей работе методом анодирования выполнен синтез нанотубулярных структур ZrO2. С использованием сканирующей электронной микроскопии показано, что полученный оксидный слой имеет толщину 3 мкм и состоит из нанотрубок с внешним диаметром 25 нм.
Методом масочного магнетронного изготовлены мемристоры диаметром 1 мм со слоистой Zr/ZrO2/Au структурой. Для полученных мемристивных образцов исследованы ВАХ в полных циклах резистивного переключения при варьировании параметров приложенного гармонического напряжения. На основании анализа экспериментальных данных предложена эквивалентная электрическая схема с односторонней проводимостью в виде последовательного включения диода Шоттки и мемристора. Выполнены оценки электрических сопротивлений для мемристоров в высокоомном RHRS = (13.0 ± 1) кОм и промежуточных состояниях RIRS = (0.35–5.2) кОм. На основании полученных отношений RHRS / RIRS = 2–37 сделан вывод о высокой степени изменения проводимости изготовленной мемристивной структуры Zr/ZrO2/Au.