Wpływ nanostruktury na właściwości elektronowe

Wpływ nanostruktury na właściwości elektronowe perowskitów ABO3
Opiekiun naukowy: prof. dr hab. Jacek Szade
Mimo trwającego ciągle od 50 lat intensywnego rozwoju elektroniki bazującej na
krzemie wymagania dotyczące zapisu informacji stale rosną. Jedną z dróg poszukiwania
nowych rodzajów pamięci nieulotnych o gęstości zapisu rzędu terabitów/cm2 jest
wykorzystanie znanego od wielu lat, ale ostatnio na nowo odkrytego efektu przełączania
rezystywnego. Polega ono na silnej zmianie oporu elektrycznego w ograniczonym obszarze
materiału o wysokim oporze pod wpływem przyłożonego napięcia o wartości kilku V.
Odpowiedni impuls napięcia o przeciwnej polaryzacji powoduje powrót do stanu o wysokiej
oporności. Umożliwia to zapis informacji przy użyciu stosunkowo niewielkiego napięcia i
niewielkim przepływie prądu. Jeżeli obszar przełączany uda się ograniczyć do rozmiarów
rzędu nanometrów, a powtarzalność i trwałość zapisu osiągnie wartości lepsze niż w obecnie
stosowanych pamięciach typu flash-memory, to efekt ma szanse zrewolucjonizować
dziedzinę
trwałych
pamięci.
Przełączanie
rezystywne zostało zaobserwowane w różnych
materiałach i jego źródła mogą mieć wiele różnych
przyczyn. Najciekawsze i najdalej posunięte
badania
dotyczą
materiałów
tlenkowych.
Przełączanie rezystywne spotyka się w bardzo
dużej liczbie tlenków, które z reguły posiadają
wysoki opór elektryczny. Jedną z grup materiałów,
gdzie zaobserwowano obiecujące parametry
okazały się tlenki o strukturze perowskitu, typu
ABO3. Dla modelowego perowskitu SrTiO3
pokazano, że w zredukowanym w podwyższonej temperaturze monokrysztale, który posiada
przerwę energetyczną o wartości 3,2 eV i jest przezroczysty, można znaleźć obszary, które
pod wpływem napięciu kilku V przewodzą metalicznie prąd elektryczny. Obszary te zostały
przypisane tzw. defektom rozciągłym, takim jak dyslokacje, czy zgrupowania dyslokacji albo
błędy warstw ułożenia atomów. Obecnie trwają poszukiwania materiału, gdzie efekt byłby
powtarzalny i ułożenie filamentów pozwoli na wykorzystanie ich do zapisu informacji. Duże
nadzieje wiąże się z cienkimi warstwami, w tym również bazującymi na tlenkach o strukturze
perowskitu. Przełączanie rezystywne stwierdzono również w takich materiałach jak TiO2 czy
NiO – znanych i badanych od bardzo wielu lat. Mimo szerokiego spektrum materiałów
wykazujących efekt nie ma spójnego modelu, który tłumaczyłby wszystkie aspekty zjawiska.
Większość modeli bazuje na idei filamentów i łatwej dyfuzji tlenu lub ogólniej nanotransportu jonowego wzdłuż nich, niezbędnej do utworzenia ścieżki o oporze elektrycznym
sterowanym napięciem.
Podstawową właściwością materii decydującą o przewodnictwie elektrycznym jest
struktura elektronowa. Poznanie struktury elektronowej materiałów wykazujących efekt
przełączania rezystywnego jest głównym zadaniem w tym projekcie. Najlepszą techniką
umożliwiającą takie pomiary jest spektroskopia fotoelektronów. Innym zadaniem jest
powiązanie tej struktury ze strukturą atomową, zmodyfikowaną w obszarach podlegających
przełączaniu. Problem stanowi fakt, że rozmiar takich obszarów jest rzędu nanometrów i
pomiar widm fotoelektronów z takich obszarów jest obecnie niemożliwy. Pozostaje badanie z
obszaru znacznie większego, gdzie udział filamentów jest bardzo mały oraz rozpoznanie
nansotruktury materiałów. Potrzebne są więc bardzo precyzyjne pomiary o wysokiej
rozdzielczości pozwalające na uzyskanie wiedzy o wkładzie zmodyfikowanych fragmentów
tlenków do struktury elektronowej.
Ponieważ defekty rozciągłe takie jak dyslokacje czy zgrupowania defektów o rozmiarach
nanometrowych uważa się za pojedyncze jednostki przełączania rezystywnego w
domieszkowanych materiałach tlenkowych o strukturze perowskitu ABO3, niezbędne jest
uzyskanie głębszej wiedzy o złożonych zależnościach między strukturą defektową, rozkładem
pierwiastków i własnościami przełączeniowymi.
W ostatnich latach pokazano, że perowskity domieszkowane metalami przejściowymi
wykazują ciekawe właściwości przełączające, jak. np. SrTiO3 domieszkowane Nb albo Fe. Z
kolei najnowsze doniesienia z laboratoriów Samsunga wskazują mieszane tlenki tantalu jako
te, na których będzie oparta pierwsza komercyjna pamięć rezystywna („memrystorowa”).
Istnieje wiec potrzeba zbadania podstaw, na których taka pamięć będzie oparta – ciągle
niewiele jest prac łączących dane o strukturze elektronowej z wynikami badań lokalnej
struktury atomowej – nanostruktury . Brakuje tez zrozumienia procesu tzw.
elektroformowania, często niezbędnego żeby uzyskać stabilne przełączanie.
W projekcie zostanie zbadana struktura elektronowa kilku materiałów tlenkowych
wykazujących efekt przełączania rezystywnego. Należą do nich SrTiO3, a także tlenki których
znaczenie wzrosło w świetle ostatnich publikacji – Ta2O5 czy Nb2O5. Oprócz badań przy
użyciu spektroskopii fotoelektronów, przed i po procesie elektroformowania, zostanie
zbadana lokalna struktura przy użyciu mikroskopii ze skanująca sondą – sił atomowych czy
tunelowej. Istotne informacje zostaną uzyskane przy zastosowaniu odmiany mikroskopii sił
atomowych – metody lokalnego przewodnictwa AFM (LC AFM). Metoda ta pozwala na
określenie wartości oporu elektrycznego w miejscu kontaktu igły AFM z próbką
umożliwiając określenie tego podstawowego parametru z rozdzielczością około 1 nm, a w
niektórych przypadkach nawet lepszą. W ten sposób określone zostaną obszary stanowiące
miejsca gdzie następuje przełączanie, ich rozkład zostanie zbadany w wielu miejscach w celu
otrzymania statystycznej informacji o gęstości filamentów, rozkładzie oporu elektrycznego,
również w funkcji temperatury.
Klaster ultra-wysokopróżniowy w Zakładzie
Fizyki Ciała Stałego, gdzie będą wykonywane
badania
Przewidujemy badania dla próbek w formie monokrystalicznej oraz cienkich warstw
otrzymanych metodami ablacji laserowej i napylania (sputteringu). Część próbek zostanie
otrzymana w Centrum Badawczym w Jülich w Niemczech, wiodącym na świecie ośrodku
badania tlenków wykazujących efekt przełączania rezystywnego. Od kilku lat współpraca z
tym ośrodkiem owocuje rosnącą liczbą wspólnych publikacji.
Struktura otrzymanych próbek poddanych będzie zbadana metodami dyfrakcji promieni
rentgenowskich i elektronów. Ich fragmenty zostaną poddane analizie przy użyciu
wysokorozdzielczej elektronowej mikroskopii transmisyjnej (HRTEM).