溶胶-凝胶法制备锌掺杂Nd2Zr2O7薄膜的阻变特性及其在RRAM中的应用研究

【编辑推荐】本研究针对RRAM（阻变存储器）器件耐久性不足、操作电压高等问题，通过溶胶-凝胶法制备Zn掺杂Nd2Zr2O7薄膜，发现5 mol% Zn掺杂样品经热处理后性能最优：无需成形电压、循环次数达2374次、操作电压低至1.72 V/0.96 V，且Ron/Roff比稳定在102。该成果为新型RRAM材料开发提供了重要参考。

　　

在人工智能技术爆发的时代，存储器件的性能成为制约算法效率的关键瓶颈。传统闪存面临物理极限挑战，而阻变存储器（RRAM）因其结构简单、功耗低、与CMOS工艺兼容等优势被视为下一代存储技术的有力竞争者。然而，现有RRAM材料普遍存在耐久性差、操作电压高、导电细丝形成随机性强等问题，严重制约其实际应用。

针对这一挑战，国立成功大学的研究团队将目光投向稀土锆酸盐材料。Nd₂Zr₂O₇（NZO）因其缺陷萤石结构中天然存在的氧空位（oxygen vacancies）而备受关注，但这些空位的随机分布导致器件性能不稳定。研究团队创新性地采用锌掺杂策略，通过溶胶-凝胶法制备Nd_2(1-x)Zn_2xZr₂O₇（NZZO）薄膜系统，结合热退火和金属化后退火（PMA）工艺，成功实现了性能突破。相关成果发表在《Journal of Alloys and Compounds》上。

关键技术方法
研究采用溶胶-凝胶法制备不同Zn掺杂浓度（x=0-0.09）的NZZO薄膜，通过X射线衍射（XRD）分析晶体结构，X射线光电子能谱（XPS）表征元素化学态，扫描电镜（SEM）观察形貌。器件采用金属-绝缘体-金属（MIM）结构，通过电流-电压（I-V）测试评估阻变特性，重点研究热退火和PMA对氧空位调控的影响机制。

研究结果

材料与方法
通过双前驱体溶液（含Nd(NO₃)₃·6H₂O和Zn(NO₃)₂的溶液A与含ZrOCl₂·8H₂O的溶液B）混合制备溶胶，经旋涂成膜后在不同温度下退火。

结果与讨论
XRD显示所有薄膜均形成缺陷萤石结构，5 mol% Zn掺杂样品结晶度最佳。XPS证实Zn²⁺掺杂引入额外氧空位，PMA处理后In电极形成In离子参与导电细丝构建。电学测试表明：最优样品实现2374次稳定循环，Set/Reset电压分别降至1.72 V和0.96 V，AlO_x界面层有效调控氧离子迁移。

结论
该研究证实Zn掺杂和PMA协同作用可精准调控氧空位分布，AlO_x层作为氧储存层抑制氧流失。5 mol% Zn掺杂器件展现最佳性能，为开发高稳定性RRAM提供了新材料体系。

重要意义
这项工作不仅揭示了锌掺杂对稀土锆酸盐氧空位工程的调控机制，更通过创新的热处理方法解决了RRAM器件的随机性问题。其提出的"掺杂-退火"协同优化策略为新型存储材料设计提供了普适性思路，对推动人工智能硬件发展具有重要价值。