@ 2015.10.15 , 23:00

原来忆阻器的工作方式跟我们想象的不一样

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什么会取代闪存?惠普、Intel、三星等几家公司的研发部门认为答案可能是忆阻器(又称电阻RAM、ReRAM、或RRAM)。这些器件因为使用能量少、速度很快、而且不需通电就能保持数据,有机会能取代非易失性存储器王者。然而新的研究表明,它们的工作方式和我们原以为的很不一样。

忆阻器如何工作的基础是一种称作“不完美点接触”的机制,这在任何人建造出可工作器件以前很久的1971年就被预测了。当电压被施加到一个忆阻器单元上,它会降低器件的电阻,这种电阻变化可以通过施加另一个较小的电压读出。通过施加反向的电压,该器件的电阻被回复到初始值,存储信息即被擦除。

在过去的十年里,研究者们已经产生了两种有商业前景的忆阻器类型:电化学金属化存储器(ECM)单元,和价态变化机制存储器(VCM)单元。

在ECM单元中有一个铜电极(称为活性电极),铜原子被“写入”电压氧化——其电子被剥离,由此产生的铜离子通过固体电解质向铂电极迁移,当它们抵达铂时就得回电子,其它铜离子到达并堆积,最终形成连接两个电极的纯金属丝,从而降低器件电阻。

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在VCM单元中,“写入”电压产生带负电荷的氧离子和带正电荷的金属离子,从理论上讲,氧离子被带出固体电解质,有助于在两极间形成半导体材料的细丝。

现在由位于德国于利希的彼得·格伦伯格研究所Ilia Valov领导的国际研究团队在《自然纳米技术》和《先进材料》上报告,他们已经鉴别出消除ECM与VCM单元之间许多区别的新过程。

Valov和德国、日本、韩国、希腊和美国的同事们最初研究有氧化钽电解质和活性钽电极的忆阻器。“我们的研究表明这两种开关机制事实上能被桥接,并没有如我们曾相信的纯粹的氧化开关类型,而且来自活跃电极的金属正离子是能移动,” Valov解释道。

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“在VCM忆阻器中已经知道,移动的种类是氧离子(带负电荷)和氧空穴(带正电荷)。氧离子和空穴两者是耦合的,”他说道,“氧离子利用空穴移动前进。”因此Valov的团队着手验证金属离子是否也会移动,一种方法始于在钽衬底上沉积的氧化钽薄膜,科学家们用扫描隧道显微镜(STM)针尖在氧化物上创建细丝来模仿真实钽忆阻器内部的行为。“我们在STM针尖上施加一个电压并在薄膜和针尖之间的真空间隙中观察到一个小金属细丝形成,只有正钽离子能移动才会产生这种金属细丝。”

在另一项实验中,研究者们在一个忆阻器单元中放置一层无定形碳以阻止氧离子在钽电极和氧化钽电解质之间移动。

通过这个界面改变,研究者们发现了金属导电材料的电气特性——正是你对经典ECM单元所期望的,Valov说。他补充说,在把研究提交给《自然纳米技术》后,他们已进行了用石墨烯替换无定形碳阻止氧离子的类似实验。未来的实验将包括不同材料层和不同厚度的电解质,看它们对这些薄膜如何反应。研究移动金属阳离子的作用以及它们在VCM亿阻器中可能的控制将会需要该研究。对于所有涉及机制的更好更详细的理解通常会导致更好的器件,Valov总结道。

本文译自 IEEE Spectrum,由译者 王丢兜 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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