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Diego Rubi
Grupo de Materia Condensada, Centro Atómico Constituyentes, Comisión Nacional
de Energía Atómica
Conmutación resistiva en óxidos
funcionales: hacia nuevas memorias
RRAM
Conmutación resistiva o resistive switching:
cambio reversible y no volátil de la resistencia de
una estructura Metal-Aislante-Metal ante la
aplicación de un campo eléctrico
Interés tecnológico: desarrollo de memorias
RRAM (Resistive Random Access Memories)
• Velocidades de conmutación del orden de los
nanosegundos (>>velocidad que memorias flash)
• Alta constante dieléctrica miniaturización y
bajo consumo
El resistive switching aparece como un fenómeno ubicuo
• óxidos binarios: TiO2, HfO2, SnO2, CuO, NiO, ZnO…
• óxidos ternarios: SrTiO3, SrZnO3…
• óxidos complejos: YBCO, manganitas…
Investigación básica
comenzó hace 40
años….
Localización geométrica de la zona “activa” clasificación a primer orden
del RS:
• Creación/ruptura de filamentos conductores confinados localmente
• Efecto de interfase distribuido homogéneamente sobre toda la superficie
del electrodo metálico en la estructura metal/aislante/metal.
Las vacantes de oxígeno juegan un papel fundamental
Material de interés: BiFeO3
• Multiferroico (ferroeléctrico y antiferromagnético) a
temperatura ambiente multifuncionalidad
• Resultados preliminares en muestras cerámicas de
Bi0.9Ca0.1FeO3 y Bi0.9Ba0.1FeO3 indican la existencia de
RS
45 50 55 60 65 70 75 80
4,00E+008
5,00E+008
6,00E+008
7,00E+008
8,00E+008
9,00E+008
Re
sis
ten
cia
(O
hm
s)
Tiempo (seg)
-800
-600
-400
-200
0
200
Es
tímu
lo (V
)
Proyecto a corto plazo: crecimiento de películas
delgadas
• Esta es la forma elegida para aplicaciones
• Posibilidad de crecer fases metaestables (estabilización epitaxial),
difíciles o imposibles de obtener en bulk y monocristales
• Posibilidad de “sintonizar” las propiedades de los materiales (efectos de
tensiones, efectos de tamaño finito)
• Combinar diferentes materiales en multicapas o composites, con
funcionalidades mejoradas
Substrate
Film
film
substrate
lattice mismatch strain
Crecimiento de películas delgadas: Pulsed Laser
Deposition (PLD)
• Sistema en etapa de compra en CAC-CNEA
• Sistema funcionando en FI-UBA
Metodología: Crecimiento de films
• Determinación de parámetros óptimos de crecimiento
(temperatura del substrato, presión parcial de oxígeno, frecuencia
del láser, distancia blanco-substrato…)
• Caracterización por XRD. Fases parásitas?. Crecimiento
epitaxial?
• Determinación del modo de crecimiento (capa por capa, islas…)
microscopía de fuerza atómica (AFM)
20 40 60 80
100
101
102
103
104
105
106
107
Co
un
ts
(º)
AL2787B
Metodología: Caracterización estructural de los
films
• Rocking curves
• Phi-scans
• Mapas de espacio
recíproco (RSM) 39 42 80 85 90
* *(2
22)
Inte
ns
ity
(a
rb.
un
its
)
2 (°)
(a)
(11
1)
0 60 120 180 240 300 360
(400)SRO
In
ten
sit
y (
arb
. u
nit
s)
(°)
-0.17 -0.16 -0.15 -0.14
0.44
0.46
0.48
(a)
Kp
erp
/K0
Kpar
/K0
(d)(112)STO
(112)SRO
(c)(110)STO
Inte
nsit
y (
arb
. u
nit
s)
41 42 43 44
(b)
FWHM 0.07°
(°)
39 42 80 85 90
* *(2
22)
Inte
ns
ity
(a
rb.
un
its
)
2 (°)
(a)
(11
1)
0 60 120 180 240 300 360
(400)SRO
In
ten
sit
y (
arb
. u
nit
s)
(°)
-0.17 -0.16 -0.15 -0.14
0.44
0.46
0.48
(a)
Kp
erp
/K0
Kpar
/K0
(d)(112)STO
(112)SRO
-0.17 -0.16 -0.15 -0.14
0.44
0.46
0.48
(a)
Kp
erp
/K0
Kpar
/K0
(d)(112)STO
(112)SRO
(c)(110)STO
Inte
nsit
y (
arb
. u
nit
s)
41 42 43 44
(b)
FWHM 0.07°
(°)
Difractómetro 4-círculos Panalytical en etapa de adquisición (D. Vega)
Metodología: Caracterización magnética
-3 -2 -1 0 1 2 3
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
BBFO#1
M (
em
u/g
r)H (T)
• Magnetómetro Versalab
QD (CAC-CNEA)
• Magnetómetro SQUID QD
(Red Nacional Magnetismo)
Cerámico de Bi0.9Ba0.1FeO3
Metodología: Caracterización eléctrica
• Depósito electrodos metálicos
(sputtering, evaporación, litografía)
• Keithley 2400
• Keithley 4200
• Micro Probe-Station
• Osciloscopios, fuentes de
tensión/voltaje, etc.
• PCs para control remoto (GPIB)
• Determinación del proceso óptimo de forming • Mediciones de RS en diferentes escalas de tiempos, analizando transitorios durante la aplicación del pulso. • Estudio de la influencia de diferentes parámetros eléctricos: duración, amplitud, polaridad y secuencia de los pulsos. • Dependencia del RS con el tipo de electrodo metálico •Estudio de la dependencia del RS con el área de los contactos (filamentos o interfase)
Metodología: Caracterización eléctrica
Resultados preliminares en cerámicos de Bi0.9Ca0.1FeO3
30 60
1,40x108
1,60x108
1,80x108
2,00x108
Re
sis
ten
cia
(O
hm
s)
Tiempo (seg)
Pulsos +/- 200V, bias 3V, cont. 1-4, lat. 0.1
-800
-600
-400
-200
0
200
Estím
ulo
(V)
100 200 300 400
1,40x108
1,60x108
1,80x108
2,00x108
Re
sis
ten
cia
(O
hm
s)
Tiempo (seg)
Tren 25pulsos +/- 200V, bias 3V, cont. 1-4, lat. 0.1-800
-600
-400
-200
0
200
Estím
ulo
(V)
Efectos de acumulación de pulsos
Metodología: Caracterización eléctrica
Resultados preliminares en cerámicos de Bi0.9Ca0.1FeO3
Efectos de relajación del RS
100 200 300 400
1,40x108
1,60x108
1,80x108
2,00x108
Re
sis
ten
cia
(O
hm
s)
Tiempo (seg)
Tren 25pulsos +/- 200V, bias 3V, cont. 1-4, lat. 0.1-800
-600
-400
-200
0
200
Estím
ulo
(V)
15seg entre tren y tren
36000 39600 43200 46800 50400 54000 57600 61200 64800 68400 72000
1,40x108
1,60x108
1,80x108
2,00x108
50min entre tren y tren
Re
sis
ten
cia
(O
hm
s)
Tiempo (horas)
Tren 25pulsos +/- 200V, bias 3V, cont. 1-4, lat. 50-800
-600
-400
-200
0
200
Estím
ulo
(V)
• Relacionado con el bajo campo eléctrico alcanzable en cerámicos
• En capas delgadas, se espera un RS mucho más robusto
Resumen
Proyecto propuesto:
• Crecimiento de capas delgadas por PLD de BiFeO3 y óxidos
relacionados
• Caracterización morfológica (AFM) y estructural (XRD)
• Medición de propiedades magnéticas
• Medición de propiedades eléctricas: efectos de conmutación
resistiva. Estudio del mecanismo de RS para distintos óxidos,
electrodos y geometrías. Determinación del efecto de diferentes protocolos eléctricos de medición
Otro proyecto en la temática: RS en TiO2 y manganitas desde un approach más tecnológico (Pablo Stoliar)