Comportamento di commutazione resistiva ad alta frequenza di TiO2 e NiO amorfo

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 13804 (2022) Citare questo articolo

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La commutazione resistiva (RS) degli ossidi di metalli di transizione (TMO) è diventata non solo una scelta interessante per lo sviluppo della memoria non volatile di prossima generazione, ma anche una famiglia adatta di materiali in grado di supportare la commutazione ad alta frequenza e ad alta velocità necessaria per le tecnologie di comunicazione wireless di prossima generazione, come il 6G. L'esatto meccanismo della RS non è ancora chiaramente compreso; tuttavia, è ampiamente accettato che sia correlato alla formazione e alla rottura di filamenti conduttivi sub-stechiometrici (fasi Magnéli) dei rispettivi ossidi al momento dell'attivazione. Qui, esaminiamo il comportamento di commutazione di TiO2 e NiO amorfo sia in regime DC che in modalità ad alta frequenza. Mostriamo che la resistenza DC del TiO2 amorfo è invariante rispetto alla lunghezza della regione attiva. Al contrario, la resistenza dei campioni di NiO mostra una forte dipendenza dalla lunghezza e la sua resistenza DC si riduce all’aumentare della lunghezza. Mostriamo inoltre che le caratteristiche di commutazione ad alta frequenza del TiO2, riflesse nelle perdite di inserzione nello stato ON e nell'isolamento nello stato OFF, sono di gran lunga superiori a quelle del NiO. Da questi risultati derivano inferenze fondamentali, che non solo arricchiscono la nostra comprensione del meccanismo di conduzione negli ossidi binari/multinari, ma sono essenziali per consentire un uso diffuso di ossidi binari/multinari nelle memorie emergenti non volatili e nelle applicazioni a onde mm 6G. Come esempio di una possibile applicazione supportata dai TMO, è mostrato un attenuatore variabile di tipo riflettente (RTVA), qui mostrato. È progettato per funzionare ad una frequenza centrale di 15 GHz. I risultati indicano che ha una gamma dinamica non inferiore a 18 dB con una perdita di inserzione massima di 2,1 dB.

Si prevede che lo sviluppo della prossima generazione di memorie non volatili (NVM) sarà guidato da meccanismi non basati sulla carica. Ciò è dovuto alle limitazioni di ridimensionamento della memoria basata sulla tariffa, come la memoria DRAM (Dynamic Random-Access Memory). La memoria ad accesso casuale a commutazione resistiva (RRAM) ha attirato molta attenzione come uno dei principali contendenti per la sostituzione della DRAM, grazie alla sua bassa complessità di fabbricazione, velocità di commutazione e prestazioni eccellenti1,2,3,4,5,6,7,8 ,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24. Inoltre, si prevede che elevate velocità di commutazione ed elevati rapporti dinamici costituiranno i principali fattori trainanti per lo sviluppo dei sistemi di telecomunicazione di prossima generazione.

Il meccanismo fisico alla base della commutazione resistiva (RS) basata su ossidi di metalli di transizione (TMO) pone alla fisica dello stato solido la sfida di interpretare l'esatta natura dei fenomeni che portano alla transizione reversibile dallo stato dielettrico a quello conduttivo, comunemente denominata Transizione Mott13. La transizione metallo-isolante nel VO2 è ora accettata come un fenomeno di massa (omogeneo)25, tuttavia, il funzionamento di RS dei restanti TMO può essere attribuito alla formazione e alla rottura di filamenti conduttivi, Figg. 1 e 2, all'interno del materiale in seguito all'applicazione della tensione di polarizzazione CC o all'aumento della temperatura. A tal fine, il meccanismo di conduzione filamentosa è stato confermato sperimentalmente attraverso misurazioni in situ di correnti e tensioni in TinO2n−13,14 e NiO26. La formazione di filamenti conduttivi viene avviata attraverso il processo di elettroformatura5,12 mediante l'applicazione di una tensione di polarizzazione CC sul TMO con conseguente creazione di filamenti conduttivi sub-stechiometrici (rottura dielettrica morbida), Fig. 2b. Invertendo la tensione di polarizzazione CC, la stechiometria dell'interno del TMO viene parzialmente ripristinata, provocando la rottura del filamento conduttivo, Fig. 2c. Poiché in questo stato la cella TMO non è galvanicamente conduttiva, si parla di stato RESET. La cella può ripristinare la sua conduttività galvanica riapplicando la tensione CC, mostrata in Fig. 2d—Stato SET.