Studium odporového spínání v paměťových celách na bázi iontově vodivých chalkogenidů a nanoporézního oxidu hlinitého

Ing. Jakub Kolář

Doctoral thesis

Resistive switching in memory cells based on ionic conductive chalcogenides and nanoporous aluminium oxide

Abstract:

Tato práce popisuje syntézu, charakterizaci a aplikaci tenkých vrstev amorfních chalkogenidů dopovaných stříbrem pro studium odporového spínání - jeden z moderních principů ukládání informací. Cílem byla příprava těchto paměťových cel využívajících tento princip a to v nanoměřítku. Cíle bylo prakticky dosaženo využitím porézního oxidu hlinitého (AAO). Postup přípravy paměťových cel s využitím AAO je komplexní a zahrnuje celou řadu kroků, které byly v rámci této disertační práce vyvinuty a optimalizovány. Pro potřeby přípravy paměťových cel byl AAO získán třemi způsoby: laboratorní přípravou, v rámci spolupráce se zahraničními institucemi a zakoupením komerčního AAO. Před použitím AAO byla studována jeho chemická odolnost v alkalických roztocích a možnost rozšíření průměru jeho pórů leptáním kyselinou fosforečnou. Následujícím krokem bylo elektrolytické vyplnění AAO stříbrem, přičemž důslednou optimalizací tohoto kroku bylo dosaženo velmi dobré úrovně vyplnění. Stříbrem vyplněné AAO bylo zarovnáno broušením a leštěním, které se ukázalo jako nejlepší z použitých přístupů. Vyplněné AAO s rovným povrchem zakončeným oddělenými konci nanodrátků stříbra bylo přepařeno termickým napařováním vrstvou chalkogenidového skla, které bylo připraveno předem. Pro změnu nevodivé chalkogenidové vrstvy na vrstvu iontově vodivou byl použit proces fotoindukované difuze stříbra do této vrstvy. Tento proces byl v práci důkladně studován a to nejen z hlediska kinetiky procesu, ale i z hlediska důležitosti tohoto procesu pro přípravu paměťových cel. Celý proces přípravy paměťových cel s využitím AAO byl dokončen vytvořením hliníkové elektrody na povrchu. Pro zjištění vlivu nanostrukturované elektrody tvořené stříbrem vyplněným AAO byly pro porovnání připraveny i paměťové cely bez nanostrukturované elektrody. Tyto cely byly připraveny na stříbrem přepařeném mikroskopickém skle a sloužily nejen ke srovnání s paměťovými celami připravenými s využitím AAO, ale i k vytvoření metodologie měření odporového spínání a k získání zkušeností s tímto fenoménem. Bylo připraveno šest měřících skriptů, které postihují různé aspekty odporového spínání. Po provedení všech popsaných operací bylo srovnáno odporové spínání paměťových cel připravených s pomocí AAO s paměťovými celami na mikroskopickém skle. Pozorovaný rozdíl potvrdil úspěch v přípravě paměťové cely nové generace v nanorozměrech a pozitivní přínos použití nanostrukturované elektrody. Dokázal i význam nanorozměrů paměťové cely pro průběh procesu odporového spínání. Tato práce tak otevírá široké možnosti dalšího studia fenoménu odporového spínání s cílem prohloubit znalosti pro využití odporových pamětí.

Abstract:

This work describes study of resistive switching, one of modern approach for data storage, and preparation procedure of resistive switching memory cells. Central aim was preparation of these memory cells in nanoscale dimensions, that was experimentally achieved by use of porous aluminium oxide (AAO). The preparation procedure of memory cells based on AAO is complex and includes several steps, which were in this dissertation developed and optimized. For memory cells preparation the AAO was obtained from three sources: self-made AAO, AAO obtained from our abroad collaborators and commercial AAO. Before its use chemical resistivity in base solutions was studied and also phosphoric acid was employed for pore diameter enlargement. Next step was electrolytical filling of AAO by silver. Proper optimization of this step leads to very good filling level. Surface of Ag-filled AAO was smoothed by grinding and polishing, the most developed from all used approaches. Ag-filled AAO with smooth surface composed from separated silver nanowire tips in non-conductive AAO matrix was covered by chalcogenide glass (prepared by melt-quenching technique) employing thermal evaporation. In order to change non-conductive chalcogenide layer into ionic conductive, photoinduced diffusion and dissolution of silver from the nanowires took place. Kinetics of photoinduced diffusion and dissolution of silver and also its use for memory cell fabrication was studied in detail. Memory cells were finished by aluminium electrode preparation on the top of the chalcogenide layer. To investigate the effect of nanostructured electrode (Ag-filled AAO) on resistive switching, memory cells without nanostructured electrode were prepared. Thin layer of silver on micro slide served as an electrode in this case Memory cells on micro slide were also used for development of resistive switching metrology and to get more practical experience with this phenomenon. For measurement, six scripts were written, which focus on different aspects of resistive switching. Finally resistive switching was measured on both memory cell types and the results were compared. Observed difference confirmed success in nanoscale memory cell preparation and its better performance. This work open new pathways for resistive switching phenomena investigation

Keywords

paměti, odporové spínání, Re RAM, CB RAM, samoorganizované struktury, porézní oxid hlinitý (AAO), chalkogenidová skla, fotoindukovaná difuze

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 21. 11. 2013

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Date of defence: 5. 2. 2014

University of Pardubice

Faculty of Chemical Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Technology of Materials / Chemistry and Technology of Inorganic Materials