基于ZnO材料阻變存儲器的第一性原理研究.pdf

1、目前阻變存儲器材料研究的成為人們研究的熱點領(lǐng)域，阻變存儲器有望成為下一代存儲器件的領(lǐng)導(dǎo)者，阻變存儲器憑借與CMOS工藝相互兼容優(yōu)點，很有希望取代其他類型的存儲器。本文基于泛函密度理論(DFT)的第一性原理的方法，通過圖形化的界面構(gòu)建Ag/ZnO/Pt器件的結(jié)構(gòu)模型，計算器件的IV特性曲線。本文采用國際最先進(jìn)的材料模擬軟件ATK進(jìn)行模擬仿真，理論的實驗基礎(chǔ)為清華大學(xué)潘峰課題組關(guān)于ZnO材料的阻變存儲器研究。
　　本文從理論上采用第一

2、性原理的方法進(jìn)行模擬和計算。為了準(zhǔn)確的計算半導(dǎo)體氧化鋅材料的能帶，分別設(shè)置交關(guān)聯(lián)函數(shù)為LDA、GGA、GGA+U、MGGA四種方案分別進(jìn)行計算。采用MGGA的方法克服了用LDA、GGA的計算半導(dǎo)體材料的不準(zhǔn)確性，計算的ZnO的禁帶寬度與實驗的結(jié)果比較接近。器件兩端加上不同電壓的時候，對ZnO材料的禁帶寬度有影響，當(dāng)在器件的兩端加電場時，導(dǎo)致ZnO禁帶寬度的減小，隨著施加電壓的增大，計算的半導(dǎo)體材料ZnO的禁帶寬度減小。
　　考慮Z

3、nO晶體結(jié)構(gòu)、無定形狀態(tài)以及工藝環(huán)境對材料的影響，主要研究ZnO晶體高溫退火后產(chǎn)生無定形態(tài)。通過比較晶體結(jié)構(gòu)與無定形結(jié)構(gòu)的徑向分布函數(shù)、配位數(shù)分布函數(shù)的變化，來確定高溫退后過程中ZnO晶體結(jié)構(gòu)的變化。
　　通過計算晶體結(jié)構(gòu)與無定形結(jié)構(gòu)中氧空位的形成能，發(fā)現(xiàn)在無定形的晶體結(jié)構(gòu)中，氧空位的形成能較低，能夠獲得高的擦寫速度和低的工作電壓。晶體結(jié)構(gòu)中氧空位的形成能比較高，在無定形的結(jié)構(gòu)中氧空位的形成能為負(fù)值說明在無定形結(jié)構(gòu)中氧空位能自發(fā)的

4、形成。
　　計算不同電極材料金屬表面的功函數(shù)，包括:Ag(100)、Ag(111)、Pt(100)、Pt(111)、Pt(001)、Cu(100)、Cu(111)。比較金屬表面功函數(shù)的大小，如果構(gòu)建的器件的模型結(jié)構(gòu)兩種金屬表面的功函數(shù)相近或者中間絕緣體表面的功函數(shù)與金屬表明的功函數(shù)相近，這樣構(gòu)建的界面的結(jié)構(gòu)容易形成歐姆接觸。如果界面的結(jié)構(gòu)為兩種界面的功函數(shù)差距較大，這樣構(gòu)建的器件的表面的模型，容易形成非歐姆接觸，在IV特性上表現(xiàn)為

5、非線性關(guān)系。
　　本文研究Pt原子在PL(100)表面的擴(kuò)散的情況:一種方式是直接的跳躍的過程，Pt原子直接從原來的位置直接跳出Pt(100)表面;另一種情況是交換擴(kuò)散的情況，就Pt原子與周圍的Pt原子交換之后，跳出Pt(100)表面。分別計算了這兩種情況下的遷移勢壘，以交換擴(kuò)散為主。
　　研究在ZnO器件中摻入雜質(zhì)元素，對于阻變器件的影響。計算結(jié)果表明摻入Ag元素，有利于金屬導(dǎo)電細(xì)絲的形成，從而顯著的改變了器件的阻變特性。

6、計算了ZnO晶體結(jié)構(gòu)和摻入雜質(zhì)之后的IV特性曲線，從器件IV特性的角度分析，摻入金屬元素之后，引入了雜質(zhì)能級，使ZnO的能帶減小，計算的器件的IV特性曲線表現(xiàn)為非線性。構(gòu)建Ag/ZnO/Pt器件的結(jié)構(gòu)，計算器件的IV特性曲線。具體研究不同的電極材料對體系的影響，為選擇合適的電極材料提供參考。在Ag/ZnO/Pt器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行元素的摻雜，計算器件的IV特性曲線。從微觀機理的角度分析器件的結(jié)構(gòu)的模型，從考慮摻雜與沒有摻雜的情況，適當(dāng)?shù)奶岣呓?/p>