Marcin Wojtyniak - Doktoris

Marcin Wojtyniak
Uniwersytet Śląski
[email protected]
Przełączanie rezystywne na przykładzie cienkich warstw, monokryształów oraz ceramik
tytanianu strontu – SrTiO3 domieszkowanych żelazem i manganem
Podstawowym celem projektu jest pełne scharakteryzowanie istniejących oraz poszukiwanie
nowych materiałów wykazujących zjawisko Przełączania Rezystywnego (PR). PR polega na
zmianie oporu elektrycznego materiału pod wpływem zewnętrznego napięcia elektrycznego,
co daje ogromne możliwości wykorzystania go w elektronice, w szczególności jako podstawę
do trwałego, szybkiego i wielokrotnego zapisu informacji. Dzięki PR możliwe stanie się
stworzenie zupełnie nowego rodzaju pamięci trwałej: Resistive Random Access Memory
(RRAM), który zrewolucjonizuje sposób, w jaki zapisujemy informacje.
Tradycyjne metody zapisu informacji (magnetyczne, elektrostatyczne) wkrótce napotkają
fizyczne ograniczenia gęstości zapisu. W związku z tym aktywnie szuka się nowych metod
zapisu opartych na zupełnie nowych technologiach. W przypadku pamięci RRAM, pokazano,
że przełączanie następuje w bardzo małych obszarach – rzędu nawet 1nm. Stwarza
to możliwości tworzenia pamięci o bardzo małych komórkach oraz prostych konstrukcjach,
a cały proces zapisu odbywa się kontrolując tylko i wyłącznie napięcie. Podstawowe zalety
pamięci RRAM to przede wszystkim: niskie napięcie pracy >1V, a co za tym idzie zmniejsza
moc i mniejsze użycie energii, szybki czas przełączania >10ns przekładający się na dużą
prędkość zapisu i odczytu porównywalną z najszybszymi dostępnymi obecnie pamięciami
RAM, wysoka stabilność i czas utrzymywania informacji nawet na okres <10lat bez
konieczności dostarczania napięcia oraz ogromna gęstość zapisu rzędu TB/cm2 – kilkaset razy
większa niż istniejąca obecnie.
Jednym z materiałów, które mogą znaleźć zastosowanie w produkcji nowego typu pamięci
jest badany przeze mnie tytanian strontu (SrTiO3 lub skrótowo STO) domieszkowane
metalami przejściowymi. Prowadzone przez nas w Uniwersytecie Śląskim podstawowe
badania fizyczne pozwolą na dokładne poznanie mechanizmów przełączania, co doprowadzi
do przyspieszenia rozwoju pamięci RRAM.
Wykorzystujemy szereg nowoczesnych metod pomiarowych stosowanych w nanotechnologii,
takie jak:

metody
spektroskopowe
-
spektroskopia
fotoelektronów
(XPS),
badania
synchrotronowe (XAS, EXAFS), oraz spektroskopia jonów wtórnych (TOF-SIMS),

metody mikroskopowe - skaningowa mikroskopia tunelowa (STM), mikroskopia sił
atomowych (AFM) wraz z pomiarem lokalnego przewodnictwa elektrycznego (LCAFM),

metody dyfrakcyjne – dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego (XRD) oraz
dyfrakcja niskoenergetycznych elektronów (LEED).
Mnogość technik pomiarowych jest podyktowana tym, że często zmiana jednego
z parametrów, jak przewodnictwo, prowadzi do modyfikacji wielu innych jak: wielkość
przełączanych obszarów, stosunek między przewodnictwem w trybie niskiego przewodnictwa
(OFF) oraz wysokiego (ON), szybkość przełączania (szybkość zapisu/odczytu) i trwałość
zapisu informacji. Powoduje to konieczność prowadzenia kompleksowych badań.
Jestem przekonany, że moja praca pozwoli lepiej zrozumieć mechanizmy przełączania
rezystywnego, a tym samym umożliwi projektowanie nowych układów i pamięci RRAM.
W szczególności badania wpływu domieszkowania na tytanian strontu są niezbędne
w przypadku konkretnych zastosowań, gdyż możliwość modyfikacji własności badanych
materiałów jest często kluczowa. Wdrożenie wyników moich badań powinno znacznie
ułatwić projektowanie działających pamięci opartych na zjawisku PR, a zdobyte informacje
mogą w bezpośredni sposób posłużyć do stworzenia działających prototypów. Mimo to do
stworzenia stabilnie działających komercyjnych pamięci potrzeba wciąż dużych nakładów
badawczych i inwestycyjnych.
Obecnie w Uniwersytecie Śląskim jesteśmy jedną z niewielu grup w Polsce zajmujących się
tym zagadnieniem. Posiadamy duża infrastrukturę badawczą, doskonale wykwalifikowaną
kadrę oraz niezbędne doświadczenie. Jesteśmy gotowi do szeroko rozumianej współpracy
z przemysłem i możemy z powodzeniem wykorzystać posiadane techniki pomiarowe oraz
opracowane metody interpretacyjne do całkowitego zaspokojenia zapotrzebowania na
pomiary tych oraz innych materiałów przełączanych rezystywnie. Ponadto posiadamy szeroką
współpracę z innymi ośrodkami naukowymi na świecie, w tym dość ścisłą z jednym
z największych ośrodków badawczych na świecie – Forschungszentrum Jülich w Niemczech.