抵抗スイッチングとバッテリー

Scientific Reports volume 13、記事番号: 14297 (2023) この記事を引用

メトリクスの詳細

電子ビーム蒸着を使用して、バリウムホウケイ酸ガラス (7059) 基板上にアモルファス五酸化タンタル (a-Ta2O5) と酸化インジウムスズ (a-ITO) の薄膜を成長させることにより、透明度の高い抵抗スイッチング (RS) デバイスを作製しました。 これらの層は、可視領域全体で約 85% を超える透過率を示し、RS 挙動と電池のような IV 特性を示しました。 RS の全体的な特性は、上部電極と a-Ta2O5 の厚さを使用して調整できます。 薄い膜は従来の RS 挙動を示しましたが、金属電極を備えた厚い膜は電池のような特性を示しましたが、これは追加の酸化還元反応と非ファラデー容量効果によって説明できる可能性があります。 電池のような IV 特性を持つデバイスは、より高い強化電流、保持電流、および低い動作電流を示しました。

透明な抵抗スイッチング (RS) デバイスは、目に見えない回路、超低電力電子デバイス、センサー、および透明なエレクトロニクスの開発において、科学的に大きな注目を集めています1、2、3、4、5、6、7、8、9、10。 透明導電性酸化物 (TCO) に関する現在の研究では、高い導電性と可視スペクトルにおける光透過性の間の微妙なバランスが必要です。 さらに、他の情報処理およびストレージ機能を実行できる他の回路要素を TCO に組み込む必要があります。 特に、2 端子 RS デバイスは、回路の複雑さ、スケーリング、消費電力といった基本的な制限を克服することが期待されています 8,11,12,13,14,15。 典型的な RS デバイスでは、電界と電流の印加により、抵抗が低抵抗状態と高抵抗状態の間で可逆的かつ不揮発的に変化します。 さらに、マルチレベル RS は、電圧、コンプライアンス電流、温度を使用して単一デバイス内で安定化できる中間抵抗状態 (IRS) を持つこともでき、これは高密度ストレージにとって極めて重要な役割を果たす可能性があります 16、17、18、19。 、20、21、22。 もう1つの関連する行動は、印加された電圧と電流の履歴に応じて抵抗値が継続的に変更されるメモリスティブ型であり、脳内の状態を模倣することができ、接続がアドレス指定されるたびに2つのニューロン間の電気的接続が強化されます21,23。 24、25、26、27。 メムリスティブとマルチレベルのスイッチング特性は両方ともニューロモーフィック コンピューティングの開発に不可欠です。 実際、同じ 2 端子 RS デバイス (キャパシタ形状の) を利用して、局所的に電力を供給することもできます。これは、携帯性と効率を高めるためのナノバッテリーとも呼ばれます 28,29。 酸化ハフニウム (a-HfO​​x)、酸化タンタル (a-TaxOy)、酸化イットリウム (a-Y2O3) などの高誘電性金属酸化物は、透明抵抗型ランダム アクセス メモリ (T) の開発に非常に有望な材料となる可能性があります。 -RRAM）および低温で成長できるメモリスティブデバイス22、30、31、32、33、34、35、36。 さまざまな物理蒸着法で成長させた酸化タンタル (a-Ta2O5) は、絶縁性の高い透明な膜を低温で成長させることができるため、非常に有望です。 したがって、膜厚、電極材料、ジュール加熱の役割、および酸化インジウムスズ（ITO）のような透明導電性酸化物がT-RRAMまたは透明メモリスタ用の酸化タンタルと効果的に統合できるかどうかを解明することは興味深いでしょう。 ここで、我々は、ある中間の厚さの領域が、耐久性、保持力が向上し、低電力デバイスにとって重要な極めて低い漏れ電流を備えた、新しい種類の電池のようなIV特性を示すことを発見しました。 私たちは、非ファラデー容量性 (NFC) 効果がこの動作の原因である可能性があると提案します。 反対の内部磁場は、漏れ電流を制限し、これらのデバイスの動作電力を向上させるのに役立ちます。 この研究は、Ta2O5 ベースのメモリスタや RS デバイスにナノ電池の概念を組み込む機会を開き、NFC の基礎となるメカニズムに関連するさらなる疑問を投げかけます。