Efecto de campo ferroeléctrico Inducido por efecto de conmutación asimétrica resistiva en BaTiO3 / Nb:Heterouniones epitaxiales SrTiO3

Resumen

Se observaron procesos de conmutación resistiva asimétrica en BaTiO ₃ / Nb:SrTiO ₃ heterouniones epitaxiales. El tiempo de conmutación SET del estado de alta resistencia al estado de baja resistencia está en el rango de 10 ns bajo una polarización de + 8 V, mientras que el tiempo de conmutación de RESET del estado de baja resistencia al estado de alta resistencia está en el rango de 10 ⁵ ns por debajo de - 8 V. La pantalla de polarización ferroeléctrica controlada por electrones y vacantes de oxígeno en el BaTiO ₃ / Nb:SrTiO ₃ Se propone la heterointerfaz para comprender esta diferencia de tiempo de conmutación. Este conmutador con transición rápida de SET y RESET lenta puede tener aplicaciones potenciales en algunas regiones especiales.

Antecedentes

Los efectos de conmutación resistiva ferroeléctrica han atraído muchos intereses de investigación, ya que la inversión de polarización se basa en un mecanismo puramente electrónico, que no induce una alteración química y es un fenómeno intrínsecamente rápido [1, 2]. Se han observado efectos de conmutación resistiva ferroeléctrica en heterouniones ferroeléctricas intercaladas por dos electrodos metálicos o semiconductores [3, 4, 5]. Se han observado muchos comportamientos interesantes en heterouniones ferroeléctricas / semiconductores. Por ejemplo, se observa una electrorresistencia de tunelización muy mejorada en BaTiO ₃ (BTO) / (001) Nb:SrTiO ₃ (NSTO) [4, 5] y MoS ₂ / BaTiO ₃ / SrRuO ₃ [6] heterouniones ya que tanto la altura como la anchura de la barrera pueden ser moduladas por efecto de campo ferroeléctrico. Se ha encontrado una coexistencia de la conmutación resistiva bipolar y la resistencia diferencial negativa en BaTiO ₃ / (111) Nb:SrTiO ₃ heterouniones [7]. La electrorresistencia controlada ópticamente y el fotovoltaje controlado eléctricamente se observaron en Sm _0.1 Bi _0.9 FeO ₃ / (001) Nb:SrTiO ₃ heterouniones [8]. Se observó una flexión de banda ferroeléctrica modulada por polarización en el BiFeO ₃ / (100) NbSrTiO ₃ heterointerfaz mediante microscopía de túnel de barrido y espectroscopía [9]. Se observó una transición del efecto de rectificación al efecto de conmutación resistiva bipolar en BaTiO ₃ / Heterouniones de ZnO [10].

Aquí observamos un efecto de conmutación resistiva asimétrica en el BaTiO ₃ / Nb:SrTiO ₃ Unión Schottky, que aún no se ha informado. Además, proponemos un efecto de campo ferroeléctrico para comprender este efecto de conmutación resistiva asimétrica. Específicamente, la transición de SET del estado de alta a baja resistencia está en 10 ns bajo una polarización de + 8 V, mientras que la transición de RESET del estado de baja a alta resistencia está en el rango de 10 ^{5 ns por debajo de - 8 V. Esto puede entenderse por el filtrado de polarización ferroeléctrica por electrones y vacantes de oxígeno en el BaTiO ₃ / Nb:SrTiO ₃ interfaz. Este interruptor con transiciones de SET rápido y RESET lentas puede tener aplicaciones potenciales en algunas regiones especiales.}

Métodos

Los sustratos comerciales de NSTO al 0,7% en peso (100) se limpiaron sucesivamente en 15 min con etanol, acetona y agua desionizada y luego se soplaron con aire antes de la deposición. La película BTO se cultivó sobre sustratos NSTO mediante deposición láser pulsado (PLD) utilizando un láser excímero KrF (248 nm, duración del pulso 25 ns, COMPexPro201, Coherent) a una energía de 300 mJ y una frecuencia de 5 Hz, con el vacío base de 2 × 10 ⁻⁴ Pa. Durante el crecimiento, la temperatura del sustrato se mantuvo a 700 ° C y la distancia objetivo-sustrato fue de 6,5 cm. La presión parcial de oxígeno fue de 1 Pa y el tiempo de crecimiento fue de 15 min. Después del crecimiento, la muestra se mantuvo bajo la presión parcial de oxígeno de 1 Pa durante 10 min, y luego, la temperatura se redujo a temperatura ambiente a 10 ° C / min en un ambiente de vacío. El espesor de las películas delgadas de BTO es de unos 100 nm. Electrodos au top (0,04 mm ² ) se pulverizaron sobre películas delgadas de BTO a través de una máscara de sombra mediante pulverización catódica con magnetrón de CC, y el electrodo inferior se presionó con indio (In) sobre sustrato NSTO. Se utilizó el medidor de fuentes Keithley 2400 para realizar mediciones de transporte. Los pulsos de voltaje fueron suministrados por un generador de forma de onda arbitraria (Agilent 33250A) con una duración de pulso que variaba de 10 ns a 1 s. Los resultados de la microscopía de fuerza atómica (AFM), la microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica (PFM) y la microscopía de sonda Kelvin de barrido (SKPM) se llevaron a cabo para caracterizar la morfología, la ferroelectricidad y el potencial electrostático de la superficie de la película BTO mediante un instrumento Oxford AR. Las imágenes de fase fuera del plano PFM, amplitud fuera del plano PFM, corriente y SKPM se registraron con una punta conductora polarizada de 0,5 V sobre la misma área después de escribir un área de 2 × 2 μm ² con - 8 V y luego el central de 1,25 × 1,25 μm ² cuadrado con + 8 V. En todas las mediciones, los electrodos inferiores se conectaron a tierra y se aplicaron voltajes sobre los electrodos superiores o la punta. Todas las mediciones se realizaron a temperatura ambiente.

Resultados y discusión

La Figura 1a – d muestra las curvas de corriente-voltaje del sistema Au / BTO / NSTO / In medidas con pequeñas polarizaciones entre - 0.5 y 0.5 V después de aplicar un pulso con diferentes amplitudes y anchos, en el cual la Fig. 1a, b se mide después pulsos de ancho de 100 ms con varias amplitudes, mientras que la Fig. 1c, d se mide después de pulsos en amplitudes de + 8 y - 8 V con varios anchos, respectivamente. La Figura 1e-h muestra la resistencia de unión registrada a - 0.3 V después de la aplicación de pulsos de voltaje con diferentes amplitudes y anchos comenzando desde el estado de alta resistencia (HRS) (Fig.1e, g) o el estado de baja resistencia (LRS) ( Fig. 1f, h), donde los anchos de pulso en los paneles eyf son 100 ms y las diferentes curvas en los paneles eyf corresponden a diferentes medidas consecutivas, con tensiones máximas positivas o negativas variables. El recuadro de la figura 1a muestra el dibujo esquemático de la estructura del dispositivo. La conmutación resistiva en Au / BTO / NSTO se demuestra por las curvas de corriente-voltaje con un pequeño sesgo y los bucles de resistencia en función de las amplitudes del pulso de escritura, después de que se aplicó por primera vez un pulso relativamente largo de 100 ms con amplitudes variables de - 8 a 8 V, como se muestra en la Fig. 1a, b, e, f. Obviamente, los pulsos positivos pueden configurar el dispositivo en el estado de baja resistencia, mientras que los pulsos negativos hacen que el dispositivo vuelva al estado de alta resistencia. Curiosamente, los cambios entre los estados ON y OFF son graduales, lo que es útil para los dispositivos de conmutación de resistencia multiestado sin importar que comience desde HRS o LRS. Estas transiciones graduales entre HRS y LRS también se observaron en BTO / La _0.67 Sr _0.33 MnO ₃ Unión de túnel ferroeléctrico [2]. Un ciclo de histéresis entre el bajo- (3 × 10 ⁴ Ω) y alto- (3 × 10 ⁶ Ω) se observan estados de resistencia, con una gran relación APAGADO / ENCENDIDO de 100 cuando el voltaje de escritura se desplaza entre + 8 y - 8 V (Fig. 1e, f, curvas negras). Los bucles menores en la Fig. 1e, f muestran que el estado de resistencia final puede ajustarse finamente entre HRS y LRS dependiendo del protocolo de ciclismo. De manera similar, se aplicó al dispositivo un pulso de escritura con una amplitud variable de - 8 a 8 V y un ancho de 10 ns a 1 s, y las curvas IV y la resistencia de unión se registraron posteriormente como una función del ancho del pulso de escritura, como se muestra en Figura 1c, d, g, h. Obviamente, el cambio entre HRS y LRS ocurre solo cuando la duración del pulso de voltaje positivo (negativo) es lo suficientemente larga y la amplitud es lo suficientemente grande. Tanto para los procesos SET como RESET, la duración del pulso se hace más pequeña al aumentar la amplitud absoluta del voltaje del pulso. Específicamente, el tiempo de conmutación del HRS al LRS es notablemente rápido, en el que pulsos de 10 ns por encima de 4 V son suficientes para saturar la resistencia de la unión, como se muestra en la Fig. 1g. Por el contrario, la conmutación completa al HRS solo se logra mediante pulsos de RESET relativamente largos en la escala de tiempo de milisegundos, como se muestra en la Fig. 1h. Para la aplicación de dispositivos memristivos, la Fig. 1e – h también muestra que la operación multinivel se puede lograr programando la amplitud o duración del voltaje de pulso.

Las curvas de corriente-voltaje del sistema Au / BTO / NSTO / In con pequeñas polarizaciones entre - 0,5 y 0,5 V después de aplicar un pulso de 100 ms de ancho con varias amplitudes ( a , b ). Las curvas de corriente-voltaje del sistema Au / BTO / NSTO / In con pequeñas polarizaciones después de aplicar un pulso con una amplitud de + 8 V ( c ) y - 8 V ( d ) con varios anchos de pulso. La resistencia de unión del sistema Au / BTO / NSTO / In registrada a - 0.3 V después de la aplicación de pulsos de voltaje con varias amplitudes y anchos a partir del HRS ( e , g ) o LRS ( f , h ), donde los anchos de pulso en e y f son 100 ms y las diferentes curvas en e y f corresponden a diferentes medidas consecutivas, con tensiones máximas positivas o negativas variables. El recuadro de a muestra el dibujo esquemático de la estructura del dispositivo

Las imágenes topográficas de la Fig. 2a muestran que la superficie de la película BTO es atómicamente plana, lo que evita cortocircuitos entre los electrodos superior e inferior [11]. Los bucles de histéresis fuera del plano de microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica (PFM) mostrados en la Fig. 2b indican la naturaleza ferroeléctrica de las películas de BTO. Los voltajes coercitivos locales son aproximadamente + 3,1 y - 3,1 V, indicados por los mínimos del bucle de amplitud, como se muestra en la Fig. 2b. La Figura 2c-f muestra la fase fuera del plano PFM, la amplitud fuera del plano PFM, la corriente y las imágenes SKPM de los dominios ferroeléctricos escritas en la superficie BTO registradas sobre la misma área en la Figura 2a después de escribir un área de 2 × 2 μm ² con + 8 V y luego el central 1,25 × 1,25 μm ² cuadrado con - 8 V usando una punta conductora polarizada. Se observa una corriente más pequeña (más grande) sobre el dominio central (exterior) con una polarización ferroeléctrica que apunta en dirección opuesta (hacia) el sustrato semiconductor cuando el BTO tiene un polo de - 8 V (+ 8 V). Esto se ha utilizado como una prueba esencial para demostrar el efecto de conmutación resistiva dependiente de la polarización en heterouniones ferroeléctricas [4]. Además, se puede ver que la conducción tanto en el HRS como en el LRS es bastante uniforme, por lo que no se forman filamentos conductores. De acuerdo con el principio de SKPM, mide distribuciones bidimensionales de la diferencia de potencial de contacto entre la punta y la muestra con una resolución en el rango nanométrico. La diferencia de potencial de contacto se puede convertir a la función de trabajo de la muestra si la medición se realiza en estado de termoequilibrio, y es el potencial eléctrico cuando se aplica un sesgo a la muestra. Por lo tanto, un sesgo de punta positivo (negativo) atraería los iones negativos (positivos) y / o cargas de polarización a la superficie, haciendo que el potencial de la superficie sea menor (mayor) [12]. Esta predicción es consistente con nuestras observaciones en la Fig. 2f, lo que confirma las variaciones de las cargas de polarización como los efectos principales. Por lo tanto, la conmutación de resistencia en heterouniones BTO / NSTO puede entenderse por inversión de polarización ferroeléctrica, que también se ha discutido en nuestros informes anteriores [13]. Sin embargo, la velocidad de operación para SET y RESET debe estar en el mismo orden de 10 ns para inversión de polarización puramente ferroeléctrica [2], que es opuesta a nuestras observaciones de diferencia de cuatro órdenes entre la velocidad SET y RESET, como se muestra en la Fig. 1 g, h. Entonces surge una pregunta sobre cómo entender la diferencia de velocidad de operación de SET y RESET.

un Morfología superficial de las películas BTO sobre sustratos NSTO. b Bucles de histéresis fuera del plano de PFM local:azul, señal de fase; negro, señal de amplitud. c Fase fuera de plano de PFM, d Amplitud fuera del plano de PFM, e actual y f Imágenes de SKPM grabadas en la misma área ( a ) después de escribir un área de 2 × 2 μm ² con - 8 V y luego el central de 1,25 × 1,25 μm ² cuadrado con + 8 V usando una punta conductora polarizada. La barra de escala es de 500 nm para las imágenes de a y c - f . Las etiquetas en c - e corresponden al valor de la corriente fuera del plano, la fase PFM y la amplitud PFM, respectivamente

La aparente asimetría en el tiempo de conmutación también se ha observado en 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] y Pt / LaAlO ₃ / SrTiO ₃ [16] dispositivos. Wu y col. propuso una reacción redox asimétrica en W:AlO _x / WO _y dispositivos bicapa y atribuyó la diferencia de tiempo de conmutación a las diferentes energías libres de Gibbs en AlO _x y WO _y capas [14]. Sin embargo, en la actual heterounión BTO / NSTO, el voltaje solo se puede aplicar a la película BTO ya que NSTO es un semiconductor muy dopado. Por tanto, la reacción redox asimétrica puede descartarse en el presente trabajo. Qin y col. y Wu et al. atribuir la asimetría en el tiempo de conmutación al diferente campo eléctrico interno que impulsa la migración de vacantes de oxígeno a través del LSMO / Pb (Zr _0.2 Ti _0.8 ) O ₃ y LaAlO ₃ / SrTiO ₃ interfaces [15, 16]. De acuerdo con este modelo de vacantes de oxígeno a través de la interfaz, la vacante de oxígeno migrará de BTO a NSTO bajo un sesgo positivo, y la resistencia en BTO aumentará debido a la disminución de la concentración de vacantes de oxígeno en BTO, mientras que la resistencia en NSTO no cambiará. mucho porque ya tiene una alta concentración de donantes de Nb; por lo tanto, la resistencia de todo el sistema aumentará bajo sesgo positivo, lo que es opuesto a nuestra observación en la Fig. 1. Además, se supone que el proceso iónico es mucho más lento que el proceso de electrones, por lo que un proceso de iones puros no puede explicar el proceso de SET rápido de 10 ns, como se muestra en la Fig. 2g. Por lo tanto, es difícil entender la velocidad de conmutación resistiva asimétrica considerando solo el proceso físico de inversión de polarización o el proceso químico de las vacantes de oxígeno a la deriva. De hecho, también se ha observado una velocidad de conmutación asimétrica en las uniones Au / NSTO [17] y ZnO / NSTO Schottky [18]. Una barrera Schottky asimétrica también puede conducir a una velocidad de conmutación resistiva asimétrica. Sin embargo, con base en los resultados de PFM y SKPM, se observa que la conmutación resistiva en la heterounión BTO / NSTO en el presente trabajo es causada por el efecto de campo ferroeléctrico. Por lo tanto, proponemos un modelo de inversión de polarización ferroeléctrica junto con la migración de la vacante de oxígeno a través de la interfaz BTO / NSTO para comprender este comportamiento asimétrico.

La Figura 3 muestra dibujos esquemáticos (Fig. 3a, b) y los correspondientes perfiles de energía potencial (Fig. 3c, d) de las estructuras de Au / BTO / NSTO para los estados de baja y alta resistencia. En BTO, las flechas rojas indican las direcciones de polarización y los símbolos "más" y "menos" representan cargas unidas ferroeléctricas positivas y negativas, respectivamente. Los símbolos de "más en un círculo" representan las vacantes de oxígeno ionizado. Las flechas azules muestran la dirección de las vacantes de oxígeno que se desplazan a través de la interfaz BTO / NSTO. Para simplificar, asumimos que las cargas ligadas ferroeléctricas en la interfaz Au / BTO se pueden filtrar perfectamente. Por lo tanto, la altura de la barrera en la interfaz Au / BTO es fija y no cambia con la inversión de polarización. La altura de la barrera en la interfaz BTO / NSTO se hará más pequeña (más grande) con la polarización apuntando a la interfaz del electrodo inferior (superior), lo que lleva a un estado de baja (alta) resistencia bajo un sesgo positivo (negativo). Para la interfaz del electrodo superior de Au / BTO, tanto las cargas unidas ferroeléctricas positivas como negativas pueden ser perfectamente protegidas por electrones y huecos, respectivamente, bajo la polarización positiva y negativa. Por lo tanto, las velocidades de cribado siempre pueden ser tan rápidas como cientos de picosegundos [19]; ambas velocidades SET y RESET deben estar en la misma escala de tiempo, por lo que la interfaz del electrodo superior de Au / BTO no puede tener en cuenta la velocidad de conmutación resistiva asimétrica. Sin embargo, para la interfaz del electrodo inferior de BTO / NSTO, las cargas unidas positivas y ferroeléctricas se pueden filtrar por electrones y vacantes de oxígeno, respectivamente, bajo sesgo positivo y negativo. En realidad, las vacantes de oxígeno pueden migrar a través de la interfaz BTO / NSTO, de BTO a NSTO (de NSTO a BTO) para puntos de polarización hacia (lejos de) NSTO bajo una polarización positiva (negativa) aplicada en el electrodo superior. Cuando la polarización ferroeléctrica apunta de arriba hacia abajo del electrodo, se necesitan electrones para filtrar las cargas ferroeléctricas positivas ligadas en la interfaz del electrodo inferior; por lo tanto, solo la velocidad de movimiento de los electrones afectará la velocidad SET en el proceso de conmutación resistiva. Cuando la polarización ferroeléctrica apunta desde el electrodo inferior hacia el superior, se necesitan vacantes de oxígeno para filtrar las cargas unidas ferroeléctricas negativas en la interfaz del electrodo inferior; por lo tanto, la velocidad de movimiento de las vacantes de oxígeno restringirá la velocidad de RESET en el proceso de conmutación resistiva. Dado que la migración de las vacantes de oxígeno lleva mucho más tiempo que la de los electrones, la velocidad SET restringida por electrones será mucho más rápida que la velocidad RESET restringida por las vacantes de oxígeno, lo cual es consistente con nuestra observación. Además, la transición entre la detección electrónica y la detección de vacantes de oxígeno también se ha observado en el BiFeO ₃ /La_0.7 Sr _0.3 MnO ₃ interfaz [20], que confirma aún más el mecanismo propuesto para la conmutación resistiva asimétrica en el presente trabajo.

Los dibujos esquemáticos ( a , b ) y los correspondientes perfiles de energía potencial ( c , d ) de las estructuras Au / BTO / NSTO para los estados de baja y alta resistencia. En BTO, las flechas rojas indican las direcciones de polarización, y los símbolos "más" y "menos" representan cargas unidas ferroeléctricas positivas y negativas, respectivamente. Los símbolos de "más en un círculo" representan las vacantes de oxígeno ionizado. Las flechas azules muestran la dirección de las vacantes de oxígeno que se desplazan a través de la interfaz BTO / NSTO

Conclusiones

En conclusión, se observa un tiempo de conmutación resistivo asimétrico en heterouniones BTO / NSTO. La duración del pulso requerida para la operación RESET es cuatro órdenes más larga que la del proceso SET. Las cargas unidas ferroeléctricas positivas y negativas filtradas por los electrones y las vacantes de oxígeno en la interfaz BTO / NSTO juegan un papel importante en un sesgo positivo y negativo, respectivamente. El proceso de detección de electrones es mucho más rápido que el de las vacantes de oxígeno, por lo que la transición SET (HRS a LRS) inducida por sesgo positivo es mucho más rápida que la transición RESET (LRS a HRS) inducida por sesgo negativo. Además, este conmutador exhibe una transición rápida de SET y RESET lenta, que pueden tener aplicaciones potenciales en algunas regiones especiales.

Abreviaturas

BTO:: BaTiO ₃
HRS:: Estado de alta resistencia
LRS:: Estado de baja resistencia
NSTO:: Nb:SrTiO ₃
PFM:: Microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica
SKPM:: Microscopía de sonda Kelvin de barrido

Fotoconductividad entre bandas de puntos cuánticos de InAs / InGaAs metamórficos en la ventana de 1,3 a 1,55 μm Investigación sobre las características fisicoquímicas de un sistema basado en nanoliposomas para la administración dual de fármacos

Nanomateriales

Materiales poliméricos

Biologicos

Teñir

Especias