Comportamento de comutação resistiva de alta frequência de TiO2 e NiO amorfos

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 13804 (2022) Citar este artigo

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A comutação resistiva (RS) de óxidos de metais de transição (TMOs) tornou-se não apenas uma escolha atraente para o desenvolvimento da próxima geração de memória não volátil, mas também como uma família adequada de materiais capazes de suportar a comutação de alta frequência e alta velocidade necessária para a próxima geração de tecnologias de comunicação sem fio, como 6G. O mecanismo exato da RS ainda não é claramente compreendido; no entanto, é amplamente aceito que esteja relacionado à formação e ruptura de filamentos condutores sub-estequiométricos (fases de Magnéli) dos respectivos óxidos após ativação. Aqui, examinamos o comportamento de comutação de TiO2 amorfo e NiO tanto no regime DC quanto no modo de alta frequência. Mostramos que a resistência DC do TiO2 amorfo é invariante com o comprimento da região ativa. Em contraste, a resistência das amostras de NiO exibe uma forte dependência do comprimento, e sua resistência DC diminui à medida que o comprimento aumenta. Mostramos ainda que as características de comutação de alta frequência do TiO2, refletidas nas perdas de inserção no estado ON e isolamento no estado OFF, são muito superiores às do NiO. Inferências fundamentais decorrem dessas descobertas, que não apenas enriquecem nossa compreensão do mecanismo de condução em óxidos binários/multinários, mas são essenciais para permitir o uso generalizado de óxidos binários/multinários em aplicações emergentes de memória não volátil e ondas de 6G mm. Como exemplo de uma possível aplicação suportada por TMOs, temos um Atenuador Variável de Tipo Refletivo (RTVA), mostrado aqui. Ele é projetado para operar em uma frequência central de 15 GHz. Os resultados indicam que ele possui uma faixa dinâmica não inferior a 18 dB com uma perda máxima de inserção de 2,1 dB.

Espera-se que o desenvolvimento da próxima geração de memória não volátil (NVM) seja impulsionado por mecanismos não baseados em carga. Isso se deve às limitações de dimensionamento da memória baseada em carga, como DRAM (Dynamic Random-Access Memory). A memória de acesso aleatório de comutação resistiva (RRAM) tem atraído atenção significativa como um dos principais concorrentes para a substituição da DRAM, devido à sua baixa complexidade de fabricação, excelentes velocidades de comutação e desempenho1,2,3,4,5,6,7,8 ,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24. Além disso, espera-se que altas velocidades de comutação e altas taxas dinâmicas sejam os principais impulsionadores do desenvolvimento dos sistemas de telecomunicações da próxima geração.

O mecanismo físico por trás da Comutação Resistiva (RS) baseada em Óxidos de Metais de Transição (TMOs) confronta a física do estado sólido com o desafio de interpretar a natureza exata dos fenômenos que levam à transição reversível dos estados dielétrico para condutivo, comumente referido como Transição de Mott13. A transição metal-isolante no VO2 é agora aceita como um fenômeno de volume (homogêneo)25, no entanto, o trabalho de RS dos TMOs restantes pode ser atribuído à formação e ruptura de filamentos condutores, Figs. 1 e 2, no interior do material mediante a aplicação de tensão de polarização DC ou elevação de temperatura. Para tanto, o mecanismo de condução filamentosa foi confirmado experimentalmente por meio de medições in-situ de correntes e tensões em TinO2n−13,14 e NiO26. A formação de filamentos condutores é iniciada através do processo de eletroformação5,12 pela aplicação de uma tensão de polarização DC sobre o TMO, resultando na criação de filamentos condutores subestequiométricos (quebra dielétrica suave), Fig. 2b. Ao inverter a tensão de polarização DC, a estequiometria do interior do TMO é parcialmente restaurada, resultando na ruptura do filamento condutor, Fig. 2c. Uma vez que neste estado uma célula TMO não é galvanicamente condutora, é referido como o estado RESET. A célula pode restaurar sua condutividade galvânica reaplicando a tensão DC, mostrada na Fig. 2d—estado SET.