论文部分内容阅读
信息技术的快速发展依赖于高速度、大容量、长寿命、低功耗和易操作的存储器，但传统的非易失性存储器，如EEPROM、FLASH等已难以满足上述需求。因此，发展基于新原理和新结构的新型存储技术对于打破我国微电子行业缺乏核心技术的被动局面具有极其重要的战略意义。磁性随机存储器(MRAM)和阻变随机存储器(RRAM)被认为是下一代存储器的主要候选者。MRAM是以磁电阻性质来存储数据的随机存储器，采用磁化方向不同导致的磁电阻差别来记录0和1;RRAM是以电致电阻性质来存储数据的随机存储器，采用施加不同电压导致的不同电致电阻来记录0和1。由于电场控制离子输运可以分别调控材料的磁化方向和电致电阻，有可能开发出MRAM与RRAM结合的多功能、低能耗的磁-电阻存储器。同时，利用电场控制离子输运还能在薄膜中构建纳米点接触结构，获得量子化的电导，这对于纳米离子学及新型多功能电子器件的研究具有重要的科学意义。 本论文针对电场下离子输运调控磁化方向与电致电阻及进一步利用离子输运构建点接触结构实现对电导的精确调控三个方面开展了研究工作: 1、利用导电原子力显微镜(C-AFM)与磁力显微镜(MFM)技术研究了纳米尺度下电场控制离子输运对CoFe2O4薄膜磁化方向的影响。首先，通过电场控制CoFe2O4薄膜中Co2+离子的输运实现了对薄膜磁化方向的可逆调控，并通过研究施加电压的大小、速率及薄膜本征氧空位浓度对电场调控CoFe2O4薄膜磁化翻转的影响，结合第一性原理计算，发现电场作用下CoFe2O4薄膜中Co2+离子的输运可以诱导产生一个单向各向异性，从而在室温下实现电场对CoFe2O4薄膜磁化翻转的调控。这些结果对低功耗的电写磁读方式的磁存储器开发具有重要意义。 2、研究了Pt/CoFe2O4/Pt器件的电阻转变效应。首先对Pt/CoFe2O4/Pt器件的阻变特性及存储性能进行了表征，发现其无极性的阻变特性。而双极性阻变时器件具有优异的存储性能与多态存储的潜力。随后，通过研究测试环境气氛、CoFe2O4薄膜本征氧空位浓度、温度等因素对Pt/CoFe2O4/Pt器件阻变性能的影响，发现电场作用下氧空位输运形成的导电通道的通断可以很好地解释Pt/CoFe2O4/Pt器件的阻变特性。上述结果为CoFe2O4薄膜在RRAM中的应用提供了指导。 3、研究了精确调控量子电导态的方法。首先采用C-AFM技术，利用纳米级探针在阻变器件中预形成导电通道构建了单个点接触结构。在该器件中，通过改变限制电流与Reset电压可以精确地调控量子化电导，并在此基础上实现了非易失的三位模数转换功能。这项工作提出了一种可控构建单个纳米点接触结构的新方法，这一方法将有助于非易失的多态存储、逻辑电路及神经工程计算机等领域的发展。