Niobium and tantalum oxides as model materials for resistive switching effect

Abstract

Celem współczesnej nauki jest znalezienie nowych rozwiązań dla wciąż zmieniającego się świata. Jednym z wyzwań jakie stawiają sobie naukowcy jest znalezienie nowego materiału dla pamięci nieulotnych o dużej gęstości zapisu, który w coraz to mniejszej scali, nanoskali, pozwoli na zapisanie coraz większej ilości danych. Takimi materiałami mogą być tlenki metali przejściowych, które bazując na reakcji redoks, wykazują zdolność do zmiany oporu pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego. Jednakże wiedza o fizycznych podstawach tego zjawiska jest wciąż ograniczona. Do tej pory nie zostało jasno i klarownie przedstawione wyjaśnienie natury zjawiska przełączania rezystywnego, a co za tym idzie jego aplikacja w urządzeniach elektronicznych, może być nadal problematyczna. Niniejsza praca doktorska została poświęcona tlenkom metali przejściowych jakim są tlenki niobu i tantalu. Chociaż jak się często podkreśla są to materiały wciąż badane od wielu lat i wydaje się, że posiadamy już duży zasób wiedzy na ich temat, to nadal są miejsca, gdzie materiały te potrafią nas zaskoczyć. Praca ta została podzielona na dwie części. Pierwsza została poświęcona monokryształowi Nb₂O₅ natomiast w drugiej badania były skoncentrowane na cienkich warstwach Nb-O i Ta-O. W pracy przedstawiono wyniki badań podstawowych właściwości fizykochemicznych materiału przed oraz po redukcji termicznej. Temperatury od 800°C -1000°C znacząco redukują monokryształ Nb₂O₅. Natomiast w cienkich warstwach amorficznych Nb-O czy Ta-O o złożonej strukturze wewnętrznej, w której skład wchodzą warstwy pięciotlenków, zaobserwowano ten efekt w znacznie niższych temperaturach. Nawet niewielka zmiana temperatury (300°C dla Nb-O i 600°C dla Ta-O) wpływa na stopień redukcji warstwy. Wpływ temperatury ma również silenie znaczenia na przewodnictwo. W cienkich warstwach zaobserwowano przełączanie oporności typu bipolarnego. Natomiast w krysztale ten sam efekt również był zauważalny, lecz znacznie słabszy. Można było, podobnie jak w cienkich warstwach, zmodyfikować jego powierzchnie w celu zapisania informacji przy pomocy igły z mikroskopu sił atomowych. Reasumując przedstawione wyniki badań w tej pracy pozwalają w szerszy sposób spojrzeć na problem chemicznej i strukturalnej niestabilności tlenków metali przejściowych (Nb, Ta) w krysztale jak i cienkich warstwach. Pokazują wpływ tych zmian na ich przewodnictwo, które może być lokalnie kontrolowane, pozwalając na łatwiejszą aplikacje tych materiałów.