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Hans Journal of Nanotechnology
Vol. 12  No. 02 ( 2022 ), Article ID: 51805 , 6 pages
10.12677/NAT.2022.122008

外延铁酸铋薄膜的阻变存储性能

李奕瑄，张萌，孙志旺，于笑妍，王沛洋，周斌，魏东蕊，侯志青，宋建民，王云明*

河北农业大学理学院，河北 保定

收稿日期：2022年4月28日；录用日期：2022年5月20日；发布日期：2022年5月27日

摘要

采用磁控溅射法，以(001)取向钛酸锶SrTiO3 (STO)单晶基片为衬底，镧锶钴氧La0.5Sr0.5CoO3 (LSCO)为底电极，铁酸铋BiFeO3 (BFO)为铁电介质构架了Pt/BiFeO3/La0.5Sr0.5CoO3/SrTiO3 (Pt/BFO/LSCO/STO)异质结阻变存储器。X射线衍射证实了BFO (001)的外延结构，摇摆曲线表明随着厚度的增大BFO的结晶质量增大。研究BFO薄膜厚度对Pt/BFO/LSCO异质结阻变效应的影响，结果表明，200 nm BFO薄膜开始出现阻变效应，随着厚度的增大，阻变效应所需要的电压相应增加，高阻/低阻的比值增大。此外，300 nm厚度下，阻变效应随着外加电压增大，Pt/BFO/LSCO异质结阻变效应更加显著，且5 V工作电压下，高阻/低阻的比值达到最大。

关键词

阻变效应，异质结，铁酸铋，磁控溅射

Resistance Storage Properties on Epitaxial Bismuth Ferrite Thin Films

Yixuan Li, Meng Zhang, Zhiwang Sun, Xiaoyan Yu, Peiyang Wang, Bin Zhou, Dongrui Wei, Zhiqing Hou, Jianmin Song, Yunming Wang*

College of Science, Hebei Agricultural University, Baoding Hebei

Received: Apr. 28th, 2022; accepted: May 20th, 2022; published: May 27th, 2022

ABSTRACT

Using the magnetron sputtering method, the (001) oriented strontium titanate SrTiO3 (STO) single crystal substrate is used as the substrate, the lanthanum strontium cobalt oxide La0.5Sr0.5CoO3 (LSCO) is used as the bottom electrode and the bismuth ferrite BiFeO3 (BFO) is used as the ferroelectric medium, constructed Pt/BiFeO3/La0.5Sr0.5CoO3/SrTiO3 (Pt/BFO/LSCO/STO) heterostructure resistance memory. X-ray diffraction confirmed the epitaxial structure of BFO (001), and the rocking curve indicated that the crystal mass of BFO increased with increasing thickness. The effect of BFO film thickness on the Pt/BFO/LSCO heterostructure resistance effect was studied, and the results showed that the 200 nm BFO film began to exhibit a resistance effect, and with the increase of thickness, the voltage required for the resistance effect increased accordingly, and the ratio of high resistance/low resistance increased. In addition, at a thickness of 300 nm, the resistance effect increases with the applied voltage, the Pt/BFO/LSCO heterostructure resistance effect is more significant, and the high-impedance/low-impedance ratio reaches the maximum at 5 V operating voltage.

Keywords:Resistance Effect, Heterostructure, Bismuth Ferrite, Magnetron Sputtering

Copyright © 2022 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

信息的流通和存储随着现代科技的发展变得尤为重要，便捷高效并且可以进行集成化和小型化的存储设备可被广泛地运用于各种高新技术产业，而其中铁电材料则可以应用于包括光伏，信息存储在内的多种领域。铁电材料在不同领域的应用，已经成为了当前的研究热点 [1] [2] [3]。铁酸铋BiFeO3属于钙钛矿结构，其微观构造为ABO3型。Valasek等研究了BFO的结构和电学性能，发现其具有卓越的铁电性能、压电性能和介电性能等性质，表现出超高速的读写速度和极低的能耗等突出的优点，其制备出的铁电材料薄膜，足以成为代替硅基存储器的材料 [4] [5] [6]。另外，钙钛矿结构具有特殊的相变作用。相变作用使得铁酸铋材料的晶胞结构发生畸变变为菱方畸形或三方层状钙钛矿结构 [7] [8] [9]。铁酸铋材料在处于比室温较高的温度时，不仅可以测量出铁电性，也可以测量出反铁磁性，其具有的SCLC导电的特殊机制和电致阻变效应以及储能密度效应也在信息存储方面具有优势 [10] [11]，利用BFO制作的存储器，其铁电效应用于存储能够显著增加存储数据而不增加存储器尺寸，降低功耗且易于集成。并且，外延结构单晶的铁电材料薄膜要更优异于多晶或非晶铁电材 [12] [13]。如今BFO薄膜已经有很多方面的研究，但采用偏轴磁控溅射法制备的BFO薄膜的研究并不深入，而且对单晶钛酸锶SrTiO3基片上生长制备的BFO薄膜研究方向更为稀少，并且BFO薄膜在结构上无法避免的界面问题、在产品小型化时产生的尺寸效应问题、在生产中存在的兼容性问题等仍未得到解决。特别是以镧锶钴氧La0.5Sr0.5CoO3为底电极，研究厚度对BFO薄膜阻变性能的影响未见报道，因此本论文通过磁控溅射法构架了Pt/BFO/LSCO/STO异质结阻变存储器，研究了BFO薄膜的阻变存储性能存在重要应用意义。

2. 实验

采用偏轴磁控溅射技术制备Pt/BFO/LSCO/STO异质结薄膜，具体步骤如下：首先清洗基片表面，将STO基片(合肥科晶)放入丙酮(天津恒兴)中，利用超声波清洗10 min，再将其放入无水乙醇(天津恒兴)中，利用超声波清洗10 min。然后将基片迅速放入磁控溅射仪的真空腔中。通过机械泵将样品所在腔体中的真空度抽至5 Pa以下，再用分子泵将真空度抽至2.0 × 10−4 Pa以下。用偏轴磁控溅射技术在STO基片上外延生长厚度约70 nm的LSCO薄膜，LSCO薄膜条件如下：采用纯度为99.99%的LSCO靶材(合肥科晶)，氩气(Ar)和氧气(O2)流量为100 mL/min，且保持Ar:O2体积比为3:1；射频功率大小为70 W；压强保持为1.4 Pa。靶材预溅射20 min，在550℃下，正式溅射40 min。制备成功LSCO薄膜后，开始制备BFO薄膜：采用纯度为99.99%的BFO靶材(合肥科晶)，关闭氧气，调节氩气流量为50 mL/min，提高并保持压强为2 Pa，升高温度至750℃，将射频功率大小设定为50 W，进行不同时间的溅射，以便得到基片上不同厚度的BFO薄膜。随后在已经长成的BFO/LSCO/STO异质结上利用掩模技术镀一层Pt电极，其生长条件为：压强1.4 Pa，长成的电极面积为7.85 × 10−5 cm2，在电极长成之后将样品放置到快速退火炉当中，使样品在550℃环境退火大约1 min，最后得到试验样品。

3. 结果与讨论

3.1. Pt/BFO/LSCO/STO异质结的结构表征

使用X射线衍射仪(XRD TD3700辽宁丹东通达)测试BFO薄膜的结晶质量。如图1所示为BFO/LSCO/STO的衍射图谱，20˚到80˚扫描区间内出现了铁酸铋和镧锶钴氧以及钛酸锶的(001)和(002)和(003)的特征峰，同时衍射峰和钛酸锶(001)衍射峰晶向保持同向，即利用镧锶钴氧底电极作为基片生长的铁酸铋薄膜是在STO (001)方向上外延生长的，同时，随着测量的薄膜厚度的增加，铁酸铋结构中BFO/LSCO/STO的(001)、(002)、(003)峰值也在不断升高。图1是厚度不一致的铁酸铋(BFO)薄膜的摇摆图像，利用图像中的数据可以得知，随着BFO薄膜厚度的增加，其半波宽(FWHM)也在不断减小，即薄膜质量随着薄膜厚度的增加也在不断改变。

Figure 1. BFO film XRD diffraction pattern and rocking image

图1. BFO薄膜XRD衍射图谱及摇摆图像

3.2. 不同厚度及同一厚度不同电压对BFO薄膜阻变效应的影响

3.2.1. 厚度对铁酸铋薄膜阻变性能的影响

使用I-V测试仪(KEITHLEY 2601B美国)扫描的方式来测试不同厚度的BFO薄膜的I-V关系，得到阻变效应曲线。图2是厚度100 nm、200 nm、300 nm、400 nm的I-V变化曲线，通过图像可以看出，100 nm厚度的薄膜没有阻变效应，200 nm、300 nm、400 nm厚度的薄膜随着厚度的增加，产生阻变效应所需要的电压由4 V提高到6 V，负向电压时的最大电流由负5 V提高到负2 V，正向电压的最大电流由负6.5 V提高到负3.5 V，电压为0 V时电流从负10 V提高到负7 V，且高阻态与低阻态之间的比值变大。可以看出薄膜厚度的不同会对阻变效应产生一定影响。

Figure 2. (a) 100 nm BFO film resistance effect; (b) 200 nm BFO film resistance effect; (c) 300 nm BFO film resistance effect; (d) 400 nm BFO film resistance effect

图2. (a) 100 nm BFO薄膜阻变效应；(b) 200 nm BFO薄膜阻变效应；(c) 300 nm BFO薄膜阻变效应；(d) 400 nm BFO薄膜阻变效应

3.2.2. 电压对铁酸铋薄膜阻变性能的影响

本次实验采用I-V测试仪扫描电压的方式来测量300 nm厚度的BFO薄膜在不同电压下的阻变效应。图3是300 nm厚度的铁酸铋薄膜在循环扫描电压下对电流值作对数取值的log(I) V的阻变图像，由图3可知，同一薄膜厚度时，随着外加电压从2 V增加至5 V，薄膜阻变效应也越来越明显，同时负向电压时log(I)的最大值由负8 V提高到负6 V，正向电压时电流最大值由负9 V提高到负7.5 V，高阻态与低阻态之间的比值在变大。可以看出当薄膜厚度一致时，施加电压的不同对薄膜的阻变效应也存在一定的影响。

Figure 3. Resistance effect of BFO films at different voltages: (a) 2 V; (b) 3 V; (c) 4 V; (d) 5 V

图3. 不同电压下BFO薄膜的阻变效应：(a) 2 V；(b) 3 V；(c) 4 V；(d) 5 V

4. 结论

本文采用偏轴磁控溅射技术在STO (001)外延基片上制备了Pt/BFO/LSCO/STO异质结，分析了厚度及电压对铁酸铋薄膜的阻变效应产生的作用。XRD衍射证明了LSCO底电极和BFO薄膜在STO (001)方向上外延生长；XRD衍射的摇摆曲线得出，随着薄膜厚度的增加，薄膜质量也在不断改变。利用LCR测试仪研究了BFO薄膜厚度对Pt/BFO/LSCO异质结阻变效应的影响，数据结果表明Pt/BFO/LSCO的阻变效应强烈依赖于BFO厚度，100 nm时未呈现出阻变效应，而200 nm、300 nm、400 nm时阻变效应较为明显，且随着厚度的增加，产生阻变效应所需要的电压由4 V提高到6 V，负向电压时的最大电流由负5 V提高到负2 V，正向电压的最大电流由负6.5 V提高到负3.5 V，电压为0 V时电流从负10 V提高到负7 V，高阻态与低阻态的比值越大。此外，工作电压对Pt/BFO (300 nm)/LSCO异质结阻变效应影响显著，由2 V→5 V随着电压的增加，阻变效应越来越明显，5 V时高阻/低阻比值达到最大。该研究结果可为易集成化与小型化的铁电阻变存储器的制备与应用提供相应实验数据。

基金项目

河北农业大学自主培养博士科研启动经费(PY201809，PY2021005，PY2021012)；河北农业大学师生协同项目(2021-BHXT-20)；河北农业大学创新创业训练计划项目(S202110086039，2020259，2022164)。

文章引用

李奕瑄,张 萌,孙志旺,于笑妍,王沛洋,周 斌,王沛洋,魏东蕊,王沛洋,侯志青,宋建民,王云明. 外延铁酸铋薄膜的阻变存储性能
Resistance Storage Properties on Epitaxial Bis-muth Ferrite Thin Films[J]. 纳米技术, 2022, 12(02): 56-61. https://doi.org/10.12677/NAT.2022.122008

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    14. NOTES

    *通讯作者。

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