基于ZnO材料阻變存儲(chǔ)器的第一性原理研究.pdf

1、目前阻變存儲(chǔ)器材料研究的成為人們研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，阻變存儲(chǔ)器有望成為下一代存儲(chǔ)器件的領(lǐng)導(dǎo)者，阻變存儲(chǔ)器憑借與CMOS工藝相互兼容優(yōu)點(diǎn)，很有希望取代其他類型的存儲(chǔ)器。本文基于泛函密度理論(DFT)的第一性原理的方法，通過(guò)圖形化的界面構(gòu)建Ag/ZnO/Pt器件的結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算器件的IV特性曲線。本文采用國(guó)際最先進(jìn)的材料模擬軟件ATK進(jìn)行模擬仿真，理論的實(shí)驗(yàn)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(chǔ)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(jì)算。為了準(zhǔn)確的計(jì)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L(zhǎng)DA、GGA、GGA+U、MGGA四種方案分別進(jìn)行計(jì)算。采用MGGA的方法克服了用LDA、GGA的計(jì)算半導(dǎo)體材料的不準(zhǔn)確性，計(jì)算的ZnO的禁帶寬度與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果比較接近。器件兩端加上不同電壓的時(shí)候，對(duì)ZnO材料的禁帶寬度有影響，當(dāng)在器件的兩端加電場(chǎng)時(shí)，導(dǎo)致ZnO禁帶寬度的減小，隨著施加電壓的增大，計(jì)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(wú)定形狀態(tài)以及工藝環(huán)境對(duì)材料的影響，主要研究ZnO晶體高溫退火后產(chǎn)生無(wú)定形態(tài)。通過(guò)比較晶體結(jié)構(gòu)與無(wú)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(lái)確定高溫退后過(guò)程中ZnO晶體結(jié)構(gòu)的變化。
　　通過(guò)計(jì)算晶體結(jié)構(gòu)與無(wú)定形結(jié)構(gòu)中氧空位的形成能，發(fā)現(xiàn)在無(wú)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(wú)定形的結(jié)構(gòu)中氧空位的形成能為負(fù)值說(shuō)明在無(wú)定形結(jié)構(gòu)中氧空位能自發(fā)的

4、形成。
　　計(jì)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(guò)程，Pt原子直接從原來(lái)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(jì)算了這兩種情況下的遷移勢(shì)壘，以交換擴(kuò)散為主。
　　研究在ZnO器件中摻入雜質(zhì)元素，對(duì)于阻變器件的影響。計(jì)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(jì)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(jí)，使ZnO的能帶減小，計(jì)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(jì)算器件的IV特性曲線。具體研究不同的電極材料對(duì)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(jì)算器件的IV特性曲線。從微觀機(jī)理的角度分析器件的結(jié)構(gòu)的模型，從考慮摻雜與沒(méi)有摻雜的情況，適當(dāng)?shù)奶岣呓?/p>