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氧化物异质结电阻变换及其磁性调控研究

赵猛  
【摘要】:电阻变换效应及其阻变随机存储器的研究具有重要的科学意义和应用前景,是功能材料领域研究的前沿热点。其多种潜在的特性及其相关的物理机制亟待深入探索。本文采用脉冲激光沉积法制备了多种氧化物薄膜及其异质结,研究了这些薄膜异质结的电阻变换效应及其关联的磁性性质,获得电场调控薄膜电阻与磁性的规律;研究探索了电阻/磁性的电场调控机制,为可能的新型阻变/磁性耦合与调控器件应用提供前期的研究基础。主要的研究方面及相应取得的研究成果如下:1.利用脉冲激光沉积(PLD)在Nb掺杂的SrTiO3 (NSTO)单晶衬底上生长了CuFe2O4薄膜,并构建Pt/CuFe2O4/NSTO异质结。该异质结展现出优异的双极性电阻变换效应,RS倍率高达105,具有良好的保持性、耐久特性以及多级存储特性。外加电压可同时调控器件的电阻状态和饱和磁化强度,并且磁性的变化与电阻的状态改变表现出关联特性。CuFe2O4/NSTO界面处的电荷注入束缚/解束缚以及氧空位迁移引起薄膜中Cu2+离子在四面体位子晶格中的重新分布是引起器件电阻和磁性变化的主要原因。本文研究结果扩展了基于CuFe2O4异质结的应用领域,在非易失性多级阻变随机存储器以及磁电多功能器件领域具有潜在的应用价值。2.利用PLD方法在NSTO衬底上制备了Fe2O3薄膜,构建了Pt/Fe2O3/NSTO器件。该器件表现出稳定的双极性电阻变换效应,RS倍率高达104,同时展现出良好的保持力和耐久特性、以及多级存储特性。利用正反向电压将器件置换到低阻态(LRS)和高阻态(HRS),相应的饱和磁化强度、矫顽场同时随阻态的变化而展现出高低不同的变化。分析表明,器件阻态和磁性的变化可归结为Fe2O3/NSTO异质结界面处电荷注入束缚/解束缚以及氧空位迁移引起的Fe2+和Fe3+之间的转换。本研究表明Fe2O3在非挥发性多级阻变存储器件以及在磁电多功能存储方面具有重要的应用潜力。3.在Pt/NiO/NSTO异质结中展现出双极性电阻变换效应,最大的RS倍率高达105,并具有多级阻变和优良的耐久特性。观测到电阻和磁性的共存及其与阻变关联的磁性翻转。通过施加电压脉冲,NiO层不同电阻状态的饱和磁化强度增加到3倍。电场同时调控电阻和磁性翻转性能可归结为在界面处的氧空位迁移以及电荷注入束缚/解束缚。此研究对于电场调控电阻和磁性翻转提供了一条有效的途径,这在RS和磁多功能器件的应用方具有重要的价值。4.制备了Pt/BiFeO3/NSTO异质结器件,该器件表现出典型的双极性电阻变换效应,RS倍率可达到105,同时表现出多级阻变性能和较好的阻态保持性。此外,BiFeO3薄膜的饱和磁化强度展现出与阻变相关联的调制效应,HRS的饱和磁化强度比LRS的高,并且展现出可重复翻转的特性。提出了铁电极化翻转调控BiFeO3/NSTO界面处的p-n结势垒以及载流子注入束缚/解束缚与氧空位迁移模型来解释阻变和磁性的变化。本研究扩展了BiFeO3作为多铁性材料的应用领域。5.制备的Pt/Mn3O4/NSTO器件展现出稳定的双极性电阻变换效应,RS倍率高达104,同时展现出优异的耐久特性、良好的保持力以及多级阻变性能。此外,室温下薄膜初始态呈现出铁磁性,随阻态的变化,其相应的磁性性质随阻变产生密切协同的变化。分析表明,器件阻态和磁性的变化可归结为Mn3O4/NSTO异质结界面处电荷注入束缚/解束缚以及氧空位迁移引起的Mn3+(Oh)与Mn2+(Oh)之间的转换。本研究表明Mn304材料在非挥发性多级阻变存储器件以及在磁电多功能存储方面具有潜在的应用价值。6.在NSTO衬底上制备了C0304薄膜,构建了Pt/Co3O4/NSTO器件。该器件表现出稳定的双极性电阻变换效应,RS倍率高达105,同时展现出优异的耐久特性,多级存储特性以及微分负阻(NDR)现象。此外,室温下薄膜初始态呈现出铁磁性,随阻态的变化,其相应的磁性性质随阻变产生密切协同的变化。分析表明,器件阻态和磁性的变化可归结为CO3O4/NSTO异质结界面处电荷注入束缚/解束缚以及氧空位迁移引起的Co3+(Oh)与C02+(Oh)的转换。本研究表明C0304材料可应用于非挥发性多级阻变存储器件,也为实现磁性氧化物异质结的磁电耦合提供了新的途径。7.制备的Pt/Co:TiO2/NSTO器件展现出稳定的双极性电阻变换效应,RS倍率高达103,同时展现出良好的保持力、优异的耐久特性以及多级阻变性能。此外,室温下薄膜初始态呈现出铁磁性,随阻态的变化,其相应的饱和磁化强度随阻态展现出密切关联的大小不同的变化。分析表明,器件阻态和磁性的协同变化可归结为Co:TiO2/NSTO异质结界面处电荷注入束缚/解束缚以及与氧空位浓度密切相关的束缚磁极子模型。本文研究结果扩展了Co:TiO2作为稀磁半导体材料在磁电存储器件中的应用范围。


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