Исследование мемристоров на основе диоксида циркония

Внедрение: 2019 г.

Всегда интересны примеры применения скоростных систем сбора данных, таких как E‑502, с полноценным использованием их каналов АЦП и ЦАП для измерения и генерации сигналов в широкой полосе частот. К таким примерам относится работа по исследованию эффекта резистивного переключения (РП) [1]. 

Эффект РП состоит в мультистабильном переключении сопротивления тонкой диэлектрической пленки, помещенной между двумя проводящими контактами, при приложении внешнего напряжения. Электронные приборы, функционирование которых основано на эффекте РП, называются мемристорами.

В настоящей работе экспериментально изучен отклик контакта зонда атомно-силового микроскопа (АСМ) к пленке ZrO₂(Y) на проводящей подложке на шумовой сигнал. ZrO₂(Y) рассматривается как перспективный материал для мемристоров благодаря высокой анионной подвижности. 

Пленки ZrO₂ (12 % мол. Y) толщиной 4 нм создавались при помощи высокочастотного магнетронного распыления. Локальное РП исследовалось в сверхвысоком вакууме (~10¹⁰ Торр) при помощи АСМ/СТМ Omicron UHV AFM/STM LF1. Схема эксперимента показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Поперечное сечение структуры образца.

Между АСМ зондом и проводящим слоем TiN при помощи модуля АЦП E‑502, использовавшегося как программируемый источник напряжения, прикладывалось имитирующее белый Гауссов шум шумовое напряжение Vg(t), заранее сгенерированное с помощью генератора псевдослучайных чисел ADSViewer‑2 (v.015). В эксперименте сигнал выдавался на ЦАП модуля в бесконечном цикле. Максимальная частота выдачи составляла 10⁶ значений в секунду, что соответствовало спектру белого шума 0‑1 МГц. Сигнал с ЦАП модуля усиливался широкополосным усилителем до максимальной амплитуды 10 В и подавался на разъем для внешнего напряжения смещения на установке Omicron UHV AFM/STM LF1. Осциллограммы тока через АСМ‑зонд It(t) измерялись при помощи АЦП модуля E‑502. Максимальная частота дискретизации АЦП равнялась 2 МГц.

На рисунке 2 показана типичная осциллограмма I_t(t) в режиме индуцированного шумовым сигналом резистивного переключения (слева). Там же (справа) приведена расчётная осциллограмма сопротивления виртуального мемристора R(t). Под воздействием внешнего шумового сигнала виртуальный мемристор хаотически переключался между состоянием низкого или высокого сопротивления в режиме случайного телеграфного сигнала. 

Рисунок 2. Типичная осциллограмма It(t) в режиме индуцированного шумовым сигналом РП (слева); осциллограмма сопротивления виртуального мемристора R(t) (справа).

Полученный результат исследования указывает на мультипликативный характер взаимодействия внешнего шумового сигнала с контактом АСМ зонда к плёнке ZrO2(Y), т. е. свойства мемристора изменяются в ходе эксперимента под действием шумового сигнала. Результаты настоящей работы показывают, что мемристивные устройства представляют собой сложные мультистабильные нелинейные системы, которые не могут быть описаны простой статической моделью двухъямного потенциала. Для построения физической модели, адекватно описывающей динамику мемристоров, необходимы дальнейшее развитие теории мультистабильных нелинейных систем, а также дальнейшие экспериментальные исследования по её верификации.

Работа поддержана правительством Российской Федерации (соглашение № 074-02-2018-330 (2)) и выполнена совместно специалистами Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского и университета Палермо (Италия).

Источник:
Филатов Д.О., Новиков А.С., Баранова В.Н., Антонов Д.А., Круглов А.В., Антонов И.Н., Здоровейщев А.В., Коряжкина М.Н., Горшков О.Н., Дубков А.А., Spagnolo B. Индуцированное шумом резистивное переключение на контакте АСМ-зонда к пленке стабилизированного диоксида циркония на проводящей подложке // Труды XXIII научной конференции по радиофизике, посвященной 100‑летию со дня рождения Н.А. Железцова. – Нижний Новгород: ННГУ. – 2019. – С. 501‑504.

Разработчик: Филатов Д.О., Новиков А.С., Баранова В.Н., Антонов Д.А., Круглов А.В., Антонов И.Н. и др.