Diego Rubi

Grupo de Materia Condensada, Centro Atómico Constituyentes, Comisión Nacional

de Energía Atómica

Conmutación resistiva en óxidos

funcionales: hacia nuevas memorias

RRAM

Conmutación resistiva o resistive switching:

cambio reversible y no volátil de la resistencia de

una estructura Metal-Aislante-Metal ante la

aplicación de un campo eléctrico

Interés tecnológico: desarrollo de memorias

RRAM (Resistive Random Access Memories)

• Velocidades de conmutación del orden de los

nanosegundos (>>velocidad que memorias flash)

• Alta constante dieléctrica miniaturización y

bajo consumo

El resistive switching aparece como un fenómeno ubicuo

• óxidos binarios: TiO2, HfO2, SnO2, CuO, NiO, ZnO…

• óxidos ternarios: SrTiO3, SrZnO3…

• óxidos complejos: YBCO, manganitas…

Investigación básica

comenzó hace 40

años….

Unipolar, Pt/NiO/Pt Bipolar, Ti/La2CuO0/La1.65Sr0.35CuO4

El RS puede ser unipolar o bipolar

Localización geométrica de la zona “activa” clasificación a primer orden

del RS:

• Creación/ruptura de filamentos conductores confinados localmente

• Efecto de interfase distribuido homogéneamente sobre toda la superficie

del electrodo metálico en la estructura metal/aislante/metal.

Las vacantes de oxígeno juegan un papel fundamental

Material de interés: BiFeO3

• Multiferroico (ferroeléctrico y antiferromagnético) a

temperatura ambiente multifuncionalidad

• Resultados preliminares en muestras cerámicas de

Bi0.9Ca0.1FeO3 y Bi0.9Ba0.1FeO3 indican la existencia de

RS

45 50 55 60 65 70 75 80

4,00E+008

5,00E+008

6,00E+008

7,00E+008

8,00E+008

9,00E+008

Re

sis

ten

cia

(O

hm

s)

Tiempo (seg)

-800

-600

-400

-200

0

200

Es

tímu

lo (V

)

Proyecto a corto plazo: crecimiento de películas

delgadas

• Esta es la forma elegida para aplicaciones

• Posibilidad de crecer fases metaestables (estabilización epitaxial),

difíciles o imposibles de obtener en bulk y monocristales

• Posibilidad de “sintonizar” las propiedades de los materiales (efectos de

tensiones, efectos de tamaño finito)

• Combinar diferentes materiales en multicapas o composites, con

funcionalidades mejoradas

Substrate

Film

film

substrate

lattice mismatch strain

Crecimiento de películas delgadas: Pulsed Laser

Deposition (PLD)

• Sistema en etapa de compra en CAC-CNEA

• Sistema funcionando en FI-UBA

Metodología: Crecimiento de films

• Determinación de parámetros óptimos de crecimiento

(temperatura del substrato, presión parcial de oxígeno, frecuencia

del láser, distancia blanco-substrato…)

• Caracterización por XRD. Fases parásitas?. Crecimiento

epitaxial?

• Determinación del modo de crecimiento (capa por capa, islas…)

microscopía de fuerza atómica (AFM)

20 40 60 80

100

101

102

103

104

105

106

107

Co

un

ts

(º)

AL2787B

Metodología: Caracterización estructural de los

films

• Rocking curves

• Phi-scans

• Mapas de espacio

recíproco (RSM) 39 42 80 85 90

* *(2

22)

Inte

ns

ity

(a

rb.

un

its

)

2 (°)

(a)

(11

1)

0 60 120 180 240 300 360

(400)SRO

In

ten

sit

y (

arb

. u

nit

s)

(°)

-0.17 -0.16 -0.15 -0.14

0.44

0.46

0.48

(a)

Kp

erp

/K0

Kpar

/K0

(d)(112)STO

(112)SRO

(c)(110)STO

Inte

nsit

y (

arb

. u

nit

s)

41 42 43 44

(b)

FWHM 0.07°

(°)

39 42 80 85 90

* *(2

22)

Inte

ns

ity

(a

rb.

un

its

)

2 (°)

(a)

(11

1)

0 60 120 180 240 300 360

(400)SRO

In

ten

sit

y (

arb

. u

nit

s)

(°)

-0.17 -0.16 -0.15 -0.14

0.44

0.46

0.48

(a)

Kp

erp

/K0

Kpar

/K0

(d)(112)STO

(112)SRO

-0.17 -0.16 -0.15 -0.14

0.44

0.46

0.48

(a)

Kp

erp

/K0

Kpar

/K0

(d)(112)STO

(112)SRO

(c)(110)STO

Inte

nsit

y (

arb

. u

nit

s)

41 42 43 44

(b)

FWHM 0.07°

(°)

Difractómetro 4-círculos Panalytical en etapa de adquisición (D. Vega)

Metodología: Caracterización magnética

-3 -2 -1 0 1 2 3

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

BBFO#1

M (

em

u/g

r)H (T)

• Magnetómetro Versalab

QD (CAC-CNEA)

• Magnetómetro SQUID QD

(Red Nacional Magnetismo)

Cerámico de Bi0.9Ba0.1FeO3

Metodología: Caracterización eléctrica

• Depósito electrodos metálicos

(sputtering, evaporación, litografía)

• Keithley 2400

• Keithley 4200

• Micro Probe-Station

• Osciloscopios, fuentes de

tensión/voltaje, etc.

• PCs para control remoto (GPIB)

• Determinación del proceso óptimo de forming • Mediciones de RS en diferentes escalas de tiempos, analizando transitorios durante la aplicación del pulso. • Estudio de la influencia de diferentes parámetros eléctricos: duración, amplitud, polaridad y secuencia de los pulsos. • Dependencia del RS con el tipo de electrodo metálico •Estudio de la dependencia del RS con el área de los contactos (filamentos o interfase)

Metodología: Caracterización eléctrica

Resultados preliminares en cerámicos de Bi0.9Ca0.1FeO3

30 60

1,40x108

1,60x108

1,80x108

2,00x108

Re

sis

ten

cia

(O

hm

s)

Tiempo (seg)

Pulsos +/- 200V, bias 3V, cont. 1-4, lat. 0.1

-800

-600

-400

-200

0

200

Estím

ulo

(V)

100 200 300 400

1,40x108

1,60x108

1,80x108

2,00x108

Re

sis

ten

cia

(O

hm

s)

Tiempo (seg)

Tren 25pulsos +/- 200V, bias 3V, cont. 1-4, lat. 0.1-800

-600

-400

-200

0

200

Estím

ulo

(V)

Efectos de acumulación de pulsos

Metodología: Caracterización eléctrica

Resultados preliminares en cerámicos de Bi0.9Ca0.1FeO3

Efectos de relajación del RS

100 200 300 400

1,40x108

1,60x108

1,80x108

2,00x108

Re

sis

ten

cia

(O

hm

s)

Tiempo (seg)

Tren 25pulsos +/- 200V, bias 3V, cont. 1-4, lat. 0.1-800

-600

-400

-200

0

200

Estím

ulo

(V)

15seg entre tren y tren

36000 39600 43200 46800 50400 54000 57600 61200 64800 68400 72000

1,40x108

1,60x108

1,80x108

2,00x108

50min entre tren y tren

Re

sis

ten

cia

(O

hm

s)

Tiempo (horas)

Tren 25pulsos +/- 200V, bias 3V, cont. 1-4, lat. 50-800

-600

-400

-200

0

200

Estím

ulo

(V)

• Relacionado con el bajo campo eléctrico alcanzable en cerámicos

• En capas delgadas, se espera un RS mucho más robusto

Resumen

Proyecto propuesto:

• Crecimiento de capas delgadas por PLD de BiFeO3 y óxidos

relacionados

• Caracterización morfológica (AFM) y estructural (XRD)

• Medición de propiedades magnéticas

• Medición de propiedades eléctricas: efectos de conmutación

resistiva. Estudio del mecanismo de RS para distintos óxidos,

electrodos y geometrías. Determinación del efecto de diferentes protocolos eléctricos de medición

Otro proyecto en la temática: RS en TiO2 y manganitas desde un approach más tecnológico (Pablo Stoliar)