Разработка высокоэффективных мемристоров на основе наноструктур анодного оксида титанаНИР

Development of highly effective memrisitve structures based on anodic titania

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 февраля 2016 г.-22 декабря 2016 г. Разработка высокоэффективных мемристоров на основе наноструктур анодного оксида титана
Результаты этапа: В настоящее время быстро развиваются альтернативные магнитной записи способы хранения информации, например, мемристивные устройства, принцип работы которых основан на переключении между высоко- и низкорезистивным состоянием, соответствующих цифровой логике «0» и «1», способные долго сохранять записанное состояние и имеющие очень высокую плотность записи. Мемристоры имеют структуру металл-полупроводник-металл, где в качестве полупроводникового слоя используют, в том числе, нестехиометричные кислородные соединения, в которых под действием протекающего тока возможен транспорт дефектов. В качестве одного из материалов, которые могут использоваться в качестве активного элемента при создании мемристоров, выступает анодный оксид титана. В рамках работ по проекту в течение текущего года, путем анодирования в растворяющих (растворы фторида аммония в глицерине или в этленгликоле) и нерастворяющих (водный раствор буры) электролитах были сформированы пленки анодного оксида титана барьерного и пористого типов. Было установлено, что в случае пористых пленок содержание воды в электролите влияет на структуру получаемой пленки, при низком содержании воды происходит формирование плотной пленки, содержащей поры, а при высоком содержании воды формируется структура, состоящая из нанотрубок оксида титана. Проведены эксперименты по подбору материала верхнего электрода, который наносят на поверхность анодного оксида титана методом магнетронного напыления и установлено, что для создания мемристоров с барьерным типом переключения необходимо использовать металлы, работа выхода которых выше, чем работа выхода анодного оксида титана, например, серебро и золото. Были определены условия получения мемристоров с высокой воспроизводимостью переключений в 0.16М Na2B4O7 при потенциостатическом анодировании при 60В, Roff/Ron=34, потенциал переключения 1.5В, определена зависимость плотности тока от толщины барьерного слоя оксида. Так же была изучена возможность получения мемистивных устройств на основе пористого анодного оксида титана с использования электролита, состоящего из различных многоатомных спиртов. Определено, что мемристивное поведение демонстрирует образец, полученный при импульсном анодировании в этиленгликоль-содержащем электролите, Roff/Ron = 250, потенциал переключения 1.5В.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Разработка высокоэффективных мемристоров на основе наноструктур анодного оксида титана
Результаты этапа: В настоящее время быстро развиваются альтернативные магнитной записи способы хранения информации, например, мемристивные устройства, принцип работы которых основан на переключении между высоко- и низкорезистивным состоянием, соответствующих цифровой логике «0» и «1», способные долго сохранять записанное состояние и имеющие очень высокую плотность записи. Мемристоры имеют структуру металл-полупроводник-металл, где в качестве полупроводникового слоя используют, в том числе, нестехиометричные кислородные соединения, в которых под действием протекающего тока возможен транспорт дефектов. В рамках работ по проекту в течение текущего года было проведено исследование типа проводимости и концентрации носителей заряда методом спектроскопии электрохимического импеданса. Была обнаружена различная плотность носителей заряда, в пленках барьерного и пористого типов, что объясняет результаты, полученные в рамках выполнения предыдущего этапа работы, в частности различие в два порядка между проводимостью пленок пористого и барьерного типов. Для улучшения мемристивных характеристик пленок анодного оксида титана были рассмотрены следующие способы – отжиг в контролируемой атмосфере, внедрение легирующей примеси и гидротермальная кристаллизация. Было установлено, что отжиг в инертной атмосфере при температуре 400°С позволяет кристаллизовать пленки анодного оксида титана в фазу анатаза и добиться воспроизводимых мемристивных характеристик с соотношением сопротивлений в высоко- и низкорезистивном состоянии до 500. При использовании в качестве легирующей примеси ионов Al3+ удается добиться соотношения сопротивлений в высоко- и низкорезистивном состоянии до 4-5 для образца, изначально не обладающего мемристивными свойствами. Гидротермальная кристаллизация образца пленки анодного оксида титана в 1M растворе KOH также позволяет сформировать мемристор, однако для выяснения механизма его переключения, а также для улучшения мемристивных характеристик требуется проведение дальнейших исследований.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Разработка высокоэффективных мемристоров на основе наноструктур анодного оксида титана
Результаты этапа: Проект был направлен на исследование возможности использования анодного оксида титана и наноструктур на его основе в качестве активного слоя мемристивных элементов. Данная цель была достигнута путем анодирования металлического титана в различных условиях с последующим нанесением верхнего металлического контакта. В рамках работы подобраны электролиты, позволяющие формировать пленки анодного оксида титана, как барьерного, так и пористого типа. Для каждого из типов оксидных пленок были исследованы полупроводниковые свойства – тип носителей заряда и их концентрация с использованием метода Мотта-Шоттки. Показано, что оба типа структур обладают n-типом проводимости, при этом, концентрация носителей заряда в пористых пленках анодного оксида титана выше на два порядка, что, по-видимому, связано с абсорбцией фтор-содержащих примесей из электролита в процессе анодирования. Различная плотность носителей заряда, в пленках барьерного и пористого типов, позволяет объяснить различия в их проводимости. Путем анализа соотношений работ выхода оксида титана и различных металлов был подобран материал верхнего электрода, позволяющий реализовать барьер Шоттки на верхнем контакте, в результате чего удалось получить структуры, обладающие мемристивными характеристиками. Для пленок барьерного типа потенциал переключения составляет -1.5В при соотношении сопротивлений в высоко- и низкорезистивном состоянии (Roff/Ron) 34. Для пленок пористого типа потенциал переключения составляет -0.6В при соотношении Roff/Ron = 131. Кроме того, была обнаружена зависимость соотношений сопротивлений в высоко и низкорезистивном состоянии от скорости развертки потенциала, что может быть объяснено лимитированием переключения за счет диффузии кислородных вакансий. Также были проведены работы по улучшению мемристивных характеристик анодного оксида титана путем гидротермальной кристаллизации, отжига в инертной атмосфере или же внедрению в структуру легирующей примеси. Были проведены работы по изучению процесса переключения методом импеданс-спектроскопии. Полученные в ходе выполнения работы экспериментальные результаты демонстрируют перспективность использования методики анодирования металлического титана для формирования мемристивных элементов.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".