掺钛的ZnO纳米线：非易失性电阻存储应用领域的突破

《IEEE Transactions on Nanotechnology》：Ti-Doped ZnO Nanowires: A Breakthrough in Non-Volatile Resistive Memory Application

本研究通过脉冲激光沉积和电子束蒸发制备了Ti掺杂ZnO纳米线器件，发现掺杂后器件的电阻窗口提升至2.6 V和1.2 V，归因于Ti引入的局域能级和活性位点，为下一代非易失性电阻记忆应用提供了可扩展的解决方案。

　　

摘要：

本文探讨了掺钛（Ti）的氧化锌（ZnO）纳米线（NWs）基器件的增强型电阻存储性能。利用脉冲激光沉积（PLD）技术在ZnO种子膜（SF）上制备了ZnO纳米线，而Ti薄膜则采用电子束蒸发技术制备。分别制造了两种不同的器件：TZO纳米线和ZnO纳米线，并在其上引入了金（Au）互指电极（IDE）。基于TZO纳米线的器件表现出更优越的电阻存储性能，在+10 V时电阻窗口最大为2.6 V，在–10 V时为1.2 V，优于基于ZnO纳米线的器件。在ZnO纳米线中引入Ti掺杂为电荷收集提供了额外的活性位点，引入了局域能级并提升了整体器件性能。这些发现共同表明，基于TZO纳米线的器件在下一代非易失性电阻存储（NVRM）应用中具有很好的可扩展性。

引言

在快速发展的数字技术领域中，存储系统在决定电子设备的性能、效率和可靠性方面起着关键作用。在众多存储技术中，非易失性电阻存储（NVRM）技术是现代计算领域的一项有前景的突破，它能够在断电情况下仍保留存储的信息[1]、[2]。NVRM器件具有快速的编程能力，并且在长时间内高效存储电荷方面表现出色[3]。这种革命性的存储技术有望克服传统易失性存储和闪存（non-volatile flash memory）的局限性，结合了速度、耐用性和能效的优点。NVRM的核心原理是电阻切换，即通过改变材料的电阻来表示二进制数据（0或1）。这种电阻变化通常通过离子迁移、相变或材料内部缺陷的移动等方式实现。该机制的简单性和有效性使得NVRM能够提供高速的数据读写操作，这对现代计算需求至关重要。NVRM的发展源于人们对一种存储解决方案的探索，这种解决方案能够弥合动态随机存取存储器（DRAM）的速度与闪存的非易失性之间的差距。虽然传统的DRAM速度很快，但在断电时会丢失数据，因此不适合长期存储。而NVRM凭借其独特的电阻切换能力，能够在断电情况下保留数据，同时提供快速的读写速度，使其成为多种应用的理想选择。目前有多种类型的NVRM正在被深入研究和开发，包括电阻随机存取存储器（ReRAM）、相变存储器（PCM）和磁阻随机存取存储器（MRAM）等。ReRAM因其利用离子或氧空位的移动来改变电阻而成为研究热点[4]。ReRAM还以其高速度、低功耗和可扩展性而受到关注[4]。几种具有高介电常数（high-k）的金属氧化物，如二氧化钛（TiO₂）[5]、氧化锌（ZnO）[6]、氧化铜（CuO）[7]等，被认为是NVRM应用的候选材料。其中，ZnO因其高介电常数（k ≈ 8至10（25 °C）的特性而脱颖而出，这使得其单位面积的电荷存储容量得到增强——这是NVRM器件不可或缺的特性[8]、[9]。此外，高k材料相对于隧道介电层的导带偏移较大，不仅有利于增加电荷捕获能力，还能在隧道介电层上产生更大的电场。这些高k介电材料的特性有助于提升NVRM器件的运行速度。此外，过渡金属薄膜（如钛（Ti）、铜（Cu）、镓（Ga）、铝（Al）等也因其对电学行为的影响而受到广泛研究。这些材料用于改善电导率、载流子迁移率、接触电阻和界面稳定性等性能指标。例如，Ti薄膜常用于提高金属-半导体结的附着力并降低肖特基势垒高度，而Cu和Al则因其高导电性和可靠性而在互连应用中受到重视[10]、[11]、[12]、[13]。与这些金属相比，Ti原子可以很容易地掺入ZnO晶格中，而不会引起任何微观结构的变化[10]、[14]。关于Ti掺杂ZnO（TZO）纳米线在气体传感应用中的研究较少[15]、[16]。然而，据我们所知，目前还没有关于利用这种集成TZO纳米线的NVRM应用的报道。NVRM的影响不仅限于传统计算环境。在物联网（IoT）和人工智能（AI）时代，对能够高效可靠地处理大量数据的存储解决方案的需求正在呈指数级增长。此外，将NVRM集成到现有和未来的技术平台中，有望提升各种应用的性能和功能。从提高移动设备的响应速度和电池寿命，到加快数据中心的数据处理速度，以及增强AI系统的能力，NVRM的应用潜力非常广泛且多样。