NGHIÊN CỨU BỘ NHỚ CHUYỂN TRẠNG THÁI ĐIỆN TRỞ DỰA TRÊN ZnO PHA TẠP Cu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
W”X

VÕ MINH VƯƠNG

NGHIÊN CỨU BỘ NHỚ CHUYỂN TRẠNG
THÁI ĐIỆN TRỞ DỰA TRÊN ZnO PHA TẠP Cu

Chuyên ngành: Quang học
Mã ngành: 60 44 11

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. LÊ TRẤN

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2012


Đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Lê Trấn đã rất tận tình giúp
đỡ, truyền đạt kiến thức và tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ
này.
Tôi xin cảm ơn đến tất cả thầy cô trong Bộ môn Vật Lý Ứng Dụng và các thầy
cô bên ngoài bộ môn đã truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu trong suốt quá
trình học tập tại trường.
Xin cảm ơn các bạn trong phòng thí nghiệm Vật lý chân không, phòng QuangQuang phổ, các em cao học K21 đã luôn động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình
làm thực nghiệm.
Xin cảm ơn tất cả các bạn trong lớp Quang Học K20 và các bạn thân đã giúp
đỡ, động viên, chia sẻ với tôi những vui buồn trong suốt thời gian qua.
Con xin gửi lời cảm ơn chân thành và biết ơn sâu sắc đến ba mẹ đã hy sinh rất

nhiều để nuôi dạy anh em con thành người và luôn ở bên cạnh con, quan tâm và
động viên con trong những lúc con gặp khó khăn và xin gửi lời cảm ơn đến các Bác,
các anh chị em trong gia đình đã luôn quan tâm và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình
học tập ở thành phố Hồ Chí Minh.
Xin cảm ơn tất cả mọi người!
Võ Minh Vương


Luận văn thạc sĩ Vật lý

1

MỤC LỤC
Trang
Danh mục các bảng ................................................................................................. 4
Danh mục các hình vẽ ............................................................................................. 5
Danh mục chữ viết tắt.............................................................................................. 7
MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 8
PHẦN I: TỔNG QUAN
CHƯƠNG 1: Tổng quan về vật liệu v c chế chuyển t ạn th

ện t ở ............. 11

1.1. Tổng quan về ZnO ..................................................................................... 11
1.1.1. C u t c c
1.1.2. T nh ch t

nO .............................................................................. 11
ện c

nO ..................................................................... 15

1.2. Tổng quan về kim loại ............................................................................... 18
1.3. T ế x c

ữ

ạ v

1.4. C chế chuyển t ạn th

n

n............................................................. 20

ện t ở trong RRAM ....................................... 24

1.4.1. Đ c t n I-V .................................................................................... 25
1.4.2. C chế

y- ả

y........................................................................... 25

1.4.3. C chế sợi d n (Filament Conduction) ............................................. 27
1.4.4. C chế d n Schottky ................................................................................... 29
1.4.5. C chế d n Pool-Frenkel............................................................................. 29
CHƯƠNG 2: Ph
2.1. Ph

n

h

tạo màng và các hệ

x c ịnh tính ch t màng ......... 32

n pháp tạo màng bằng phún xạ Magnetron dc ................................ 32

2.1.1. Phún xạ .............................................................................................. 32
2.1.2. Phún xạ phản ứng ............................................................................... 33
2.1.3. Ph

n pháp phún xạ phản ứng Magnetron ...................................... 33

2.1.3.1. C u tạo hệ phún xạ Magnetron .................................................. 33
2.1.3.2. Nguyên lý hoạt ộng .................................................................. 34
2.1.3.3 Đ c t n c a hệ Magnetron phẳng........................................... 35
2.1.3.4. Các yếu tố ảnh h ởn

ến tốc ộ lắn

ọng màng .................... 36

2.1.4. Hệ Magnetron không cân bằng và hệ Magnetron cân bằng ............... 37
Học viên: VÕ MINH VƯƠNG


Luận văn thạc sĩ Vật lý

2

2.1.4.1. Hệ Magnetron không cân bằng .................................................. 37
2.1.4.2. Hệ Magnetron cân bằng ............................................................ 37
2.1.5. C c yếu tố ảnh h ởn
2.1.6. Ưu v nh ợc
2.2. Các hệ

ến u t nh h n xạ ..................................... 38

ểm c a h

n pháp phún xạ Magnetron ................ 40

x c ịnh tính ch t màng ............................................................ 40

2.2.1. X c ịnh ộ truyền qua c
2.2.2. Hệ

ộ

y

n

ằn thiết bị

UV-Vis .............. 40

n ............................................................................. 42

2.2.3. Hệ

nh u xạ DIFFRAKTOMETER D500..................................... 43

2.2.4. Hệ

I-V ............................................................................................ 46

PHẦN II: THỰC NGHIỆM
CHƯƠNG 3: Kết uả v thả

uận

3.1. Chế tạ c u trúc Cu/ZnO:Cu/Cu ................................................................ 49
3.1.1. Chế tạ

ố

nO h tạ Cu ....................................................... 49

3.1.1.1. Các thiết bị, hóa ch t
3.1.1.2. C c

ợc sử dụng ........................................... 49

ớc c bản c a quá trình chế tạo bia gốm ........................ 49

3.1.2. Chế tạo màng ...................................................................................... 53

3.1.2.1. Hệ chân không trong quá trình tạo màng................................... 53
3.1.2.2. Quá trình xử lý bề m t ế .......................................................... 56
3.1.2.3. Quá trình lắng ọng màng ........................................................ 57
3.2. Khả s t ề

y và c u trúc màng ZnO:Cu ............................................... 57

3.2.1. Khả s t ề dày c

n .................................................................. 57

3.2.2. Khảo sát c u trúc tinh thể c a màng ZnO:Cu .................................... 59
3.3. T nh ch t chuyển t ạn th
3.3.1. Khả s t

ện t ở c

c t n I-V th

n n

3.3.2. G ả th ch c chế chuyển t ạn th

c u t c Cu/ZnO:Cu/Cu ........... 60
ộ h tạ Cu ............................... 60
ện t ở ...................................... 63

3.3.3. Khả s t ROFF v t số ROFF/RON ........................................................ 65
3.3.4. Khảo sát Vset và Vreset ........................................................................ 67
3.3.5. Khả s t ộ ậ

Học viên: VÕ MINH VƯƠNG

ạ c

n

nO:Cu ............................................... 68


Luận văn thạc sĩ Vật lý

3

KẾT LUẬN ............................................................................................................. 71
HƯỚNG PHÁT TRIỂN .......................................................................................... 72
Danh mục các công trình ......................................................................................... 73
Tài liệu tham khảo ................................................................................................... 74

Học viên: VÕ MINH VƯƠNG


Luận văn thạc sĩ Vật lý

4

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1: Một số thông số c a ZnO ....................................................................... 12
Bảng 1.2: C c th n số về

ạ Cu ................................................................... 19

Bảng 3.1: Thông số tạo

n Cu/ZnO:Cu/Cu .......................................................... 60

Bảng 3.2: Th n số tạ

n Cu/ZnO:Cu/Cu theo các t lệ h tạ

h c nh u ... 60

ản 3.3: C c th n số RON; ROFF v ROFF/RON...................................................... 64
ản 3.4: C c th n số Vset, Vreset c

Học viên: VÕ MINH VƯƠNG

n

nO:Cu ............................................ 66


Luận văn thạc sĩ Vật lý

5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1: C u t c h x
H nh 1.2: Biểu

n wu tz t c a ZnO..................................................... 11

mô tả hai dạng sai hỏng Schottky và Frenkel ............................ 14

Hình 1.3: C u t c t nh thể c

Cu .......................................................................... 20

Hình 1.4: C c

ức năn

ợn c

ạ v

n

n

ạ n(

) ........... 21

Hình 1.5: C c

ức năn

ợn c

ạ v

n

n

ạ n(

) ........... 22

Hình 1.6: Đ ờn

c t n I –V c a lớp tiếp xúc kim loại và bán d n .................. 23

Hình 1.7: G ản

c chế

Hình 1.8: Đ ờn

n

ện tạ ớ t ế x c

c t n I-V th

c chế

H nh 1.9: C u trúc Cu nO:Cu Cu

H nh 1.10: Lớ

ạ

ỏn ở

H nh 1.11: Đ c t n I-V th

ợc

n cực v
ằn

ữ h

ạ- n

n

h

n..................... 23

n cực ........................ 24
n

h

I-V ...................... 25

ỏn tạ th nh ớ

y

ện t ch 26

c chế b y – giải b y ............................................. 27

H nh 1.12: Sự h nh th nh v

ứt sợ

n

ện th

c chế nh ệt h

học ............... 28

H nh 1.13: Sự h nh th nh v

ứt sợ

n

ện th

c chế

học ................ 29

H nh 1.14: Đ ờn
Hình 2.1: S

c t n I-V t n t ờn hợ tổn

tạo màng bằng h

n

h

ện h

u t ................................ 30

h n xạ ........................................... 32

Hình 2.2: C u tạo hệ Magnetron phẳng .................................................................. 33
Hình 2.3: Hệ phún xạ Magnetron ........................................................................... 34
Hình 2.4: Sự phân bố thế trong h n

ện h ...................................................... 35

Hình 2.5: Sự phụ thuộc c a tốc ộ lắn

ọng màng vào dòng và thế..................... 36

H nh 2.6: S

hệ Magnetron không cân bằng ...................................................... 37

H nh 2.7: S

hệ Magnetron cân bằng ................................................................. 38

Hình 2.8: S
Hình 2.9: Thiết bị
Hình 2.10: Hệ

hố hệ

t uyền u .................................................................. 41

HALO R -10 UV/VIS Spectrophotometer ......................... 41
ộ dày màng bằn

ộng tinh thể thạch anh ......................... 42

Hình 2.11: Giao diện phần mềm Scout ................................................................... 43
Hình 2.12: Nguyên tắc
Hình 2.13: M y

hổ XRD t ên c sở ịnh luật Bragg ............................ 44

nh u xạ t X ........................................................................... 45

Học viên: VÕ MINH VƯƠNG

Luận văn thạc sĩ Vật lý

6

Hình 2.14: C u tạ

ên n

c

Hình 2.15: S

I-V c

y

XR ..................................................... 45

c u trúc Cu/ZnO:Cu/Cu ............................................ 46

Hinh 2.16: Hệ

I-V Keithley 2400 ...................................................................... 46

Hình 3.1: M y

v

y n h ền ột ...................................................................... 49

Hình 3.2: M y nun v

y

bia ....................................................................... 50

Hình 3.3: Chu t nh nh ệt ộ c a quá trình dung kết ............................................... 51
Hình 3.4: Các bia gốm ZnO pha tạp Cu .................................................................. 51
Hình 3.5: Quy trình tạo bia gốm bằng h
Hình 3.6: S

n pháp dung kết................................ 52

bu ng chân không ......................................................................... 53

Hình 3.7: C u tạo bên trong v

ên n

c a bu ng chân không ......................... 54

Hình 3.8: Bia Cu và hệ magnetron tròn ................................................................. 55
Hình 3.9: Hệ magnetron tròn dùng cho bia Cu và bia ZnO:Cu .............................. 56
Hình 3.10: S

quá trình lắn

Hình 3.11: Phổ t uyền u c
Hình 3.12: Bề

y

n

ọng màng ........................................................... 57
các

n

nO:Cu t nh

nO:Cu và th y tinh ............................. 58
ợc bằng phần mềm Scout ...................... 58

Hình 3.13: Phổ XRD c a màng ZnO:Cu theo n n

ộ pha tạp .............................. 59

Hình 3.14: Phổ XRD c a màng ZnO và ZnO:Cu ................................................... 60
Hình 3.15: Đ ờn

c t n I-V c a c u trúc Cu nO:Cu Cu th y ổi theo n n

ộ

pha tạp ..................................................................................................................... 62
Hình 3.16: Sự h nh th nh v
Hình 3.17: Đ ờn

ứt sợi d n

ện trong màng ZnO:Cu ....................... 64

c t n I-V c a c u trúc Cu/ZnO:Cu/Cu

ợc vẽ theo t lệ log-

log ............................................................................................................................ 65
Hình 3.18: Sự th y ổ

ện trở ROFF theo n n

ộ pha tạp .................................... 66

Hình 3.19: Sự phụ thuộc c a t số ROFF/RON theo n n
Hình 3.20: Sự th y ổi Vset và Vreset theo n n

ộ pha tạp ....................... 66

ộ pha tạp ..................................... 68

Hình 3.21: Độ lập lại c a màng ZnO pha tạp Cu .................................................... 69
Hình 3.22: RON và ROFF sau 50 lần chuyển ổi ở nhiệt ộ phòng ........................... 70

Học viên: VÕ MINH VƯƠNG


Luận văn thạc sĩ Vật lý

7

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CZO ...................................................... nO h tạ

n

DRAM ..................................................Dynamic Random Access Memory
LRS ......................................................Low Resistive State
HRS ......................................................High Resistive State
MRAM ..................................................Magnetic Random Access Memory
FERAM .................................................Ferroelectric Random Access Memory
PCRAM ................................................Phase-Change Random Access Memory
RRAM ..................................................Resistive Random Access Memory
SRAM ...................................................Static Random Access Memory
SCL ..........................................................Space Charge Limited
XRD......................................................X-Ray Diraction

Học viên: VÕ MINH VƯƠNG


Luận văn thạc sĩ Vật lý

8

MỞ ĐẦU
N y n y, nhu cầu sử ụn
nh ều

hỏ c c nh sản xu t h n n

th ết ị. T n

c n n hệ ộ nhớ

sự h t t ển nh nh c
t n

y t nh v

y t nh v

RAM v

ộ nhớ

nh nh. Nh n

ệt

RAM chỉ là tạm thời, chúng sẽ m t
ổ v

ện cun c

ữ ệu c thể t n tạ

ộ nhớ h n
nhớ
ộn

sự h t t ển c

ện t ở RRAM

ợn c

c c

h

t ngu n

MRAM

u t ữ t ên

ện cung c p. ộ nhớ
n

h

sh
tn u n

ở nh ệt ộ h n [15],[29].

RAM PCRAM RRAM t n

ớ xu t h ện ần

ự t ên t nh ch t chuyển t ạn th

tốc ộ ọc v v ết

ộ nhớ n y c th n t n

h ản 1 nă

thế hệ ộ nhớ

ụn nh ều

c n n hệ ộ nhớ ộn

ộ ền c

u t ữ th n t n t ên RAM t n thờ

ổ bao

ch t

c nhữn thuận ợ ứn

ộ nhớ th y ổ v

ộ nhớ h n

ờ n yc n

ợc c c nh sản xu t ầu t n h ên cứu nh ều,

sh RAM v c c ộ nhớ n y c

RAM

c nn

n cả t ến v n n c

c n n hệ ộ nhớ

ện th ạ . Đ c

ện th ạ c

y nh t

bộ

ộ nhớ n y h ạt

ện t ở trong c c vật ệu: x t

ạ nh

TiO2 [9],[15],[21],[36],[43],[47]; NiO[23]; Nb2O5 [15],[26], oxit perovskites nh
SrZrO3; ZnMn2O4[18]; Pb(Zr,Ti)O3 ; SrTiO3; Pr(or La)0.7Ca0.3MnO3 [26],[41],
CaCu3Ti4O12 [34], polymers [16]… v RRAM

trong công nghệ nghiên cứu bộ nhớ h n
t

n

. RRAM c

u

ể

vật liệu h c nh u

ản v t ề

n

ản

nhanh tuổ thọ c
ợc c c t c

chế tạ

ụn c

n trong

ện trở [38],[48]. C c c chế

ả t ên thế
c thể

ch th ớc nhỏ, mật ộ

ớ n h ên cứu, hổ

ến nh t

ại
nO

ả th ch t nh ch t chuyển trạng

ợc chia thành ba loại: hiệu ứn

hiệu ứng nhiệt và hiệu ứng ion. Hiệu ứng ion trong t nh ch t chuyển trạn th
trở

utữ

[48]. Các c u trúc RRAM vớ nh ều

[8],[17],[19],[26],[27],[30],[33] v có nhiều c chế
th

năn ứn

n th ch với

v ợt t ộ h n so với các bộ nhớ khác (SRAM; DRAM;

MRAM; RAM…) nh c u t c
cao, tốc ộ ghi v x

ổi (NVM) nhờ khả năn t
n

nhiều loại vật liệu, giá thành rẻ, c u tạ

ợc nhiều nhà khoa học quan tâm

ện tử,
ện

ợc giải thích do sự di chuyển và phản ứng oxi hóa khử- ện hóa c a các cation

(Ag+ ho c Cun+) ho c các anion (On-) trong c u trúc với sự có m t c
Học viên: VÕ MINH VƯƠNG

ện cực hoạt


Luận văn thạc sĩ Vật lý

9

ộng (Ag, Au ho c Cu) v
t ạn th
v

ện t ở c

ứt sợ

ện cực t

n

n [8],[14] v

nO th ờn

v

hả

u xử

n

y- ả
ạ

nh ệt ể tạ

C u trúc RRAM

ợc n h ên cứu ự t ên c chế h nh th nh

ự t ên c chế

c hạn chế: h h nh th nh sợ
th

(Pt W…) [43],[49]. Song, t nh ch t chuyển
y [48]. Tuy nh ên c c c chế t ên
n

ạ

ện t ch

y

n ến

t nh ch t chuyển t ạn th
n

xt h n
utữ

ch

h nv

hả năn

ứt sợ

ộ tạ Cu t n
ềt

pha tạ v

n Cu c n
n

n y

ện
ểt

t ờn

ộn

nO ể

Qu t nh chuyển t ạn th
th ết ậ

t c Cu nO:Cu Cu
ện t ở c

[37].

n
ch

tạ Cu t n

nO h n

n th

u

u t ữ v Cu
h tạ

ạ

th y ổ
n .

ữ h

ợc

ch th ớc

n y ự t ên c chế h nh th nh v

ả th ch sự chuyển ổ

ứt sợ

t ạn th

n
ện

ện t ở th

(low resistive state-LRS).

ện t ở t HRS s n LRS ọ

u t nh th ết ậ (“s t”

th ết ị RRAM v c

ện t ở t LRS s n HRS ọ

ện

n

ng th

ề t c n th y ổ n n
ện t ở c

Học viên: VÕ MINH VƯƠNG

v ợt t ộ h n s

t ờn

chế tạ th nh c n thể h ện

uy uật chuyển t ạn th

ả n h ên cứu

ện

“erase”) h c u t c Cu/ZnO:Cu/Cu

Roff/Ron cao. Đ n thờ

ể

ện t ở c

n c

n

u t nh chuyển t ạn th

ạ (“ s t”

n

ợc ự chọn ể

(high resistive state-HRS) v t ạn th

“write”) v

n c

n h n [10],[40],[52]. Nh n c c c n

n n

nO

u

n Cu

chuyển t ạn th

ch th ớc n2+. Đề t

Cu t n

ật ộ

n Cu nh ều (Cu h n ố ều) trong môi

nO ể hắc hục hạn chế c

Cu2+ ần vớ
t ởc

ật ộ

hả năn h nh th nh sợ

t nh t ên ều c hạn chế nh

T n

n

ợc nh ều t c

ện t ở. C u trúc n y c nhữn

h tạ nh

t ờn

n n

ện

c

ợc chế tạo bằng cách pha tạp Cu vào các vật liệu oxit (SiO2

[10],[21],[40],[42], MoOx [13], ZrO2 [28],[52],[44])
vớ

huếch t n v

ợc

u t nh
ện thế. C u

ợc t nh ch t chuyển t ạn th
tốc ộ h v x

ộ tạ Cu t n

c u t c Cu/ZnO:Cu/Cu.

nO v

nhanh, t số
t

ợc


Luận văn thạc sĩ Vật lý

11

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU VÀ CÁC CƠ CHẾ
CHUYỂN TRẠNG THÁI ĐIỆN TRỞ
1.1. Tổng quan về ZnO.
1.1.1. Cấ
ZnO

.
vật ệu oxit

ạ chuyển t ế , c

ZnO có ba dạng c u trúc: hexagonal wurtzite, zinc

ộ ộn v n c
n

h ản 3,3eV,

c s t. T n

c u trúc

hexagonal wurtzite là c u trúc phổ biến nh t.

H nh 1.1: C u t c h x

n wu tz t c a ZnO

C u trúc hexagonal wurtzite c a ZnO dựa trên liên kết
nguyên tử với bốn nguyên tử lân cận. Trong mỗi ô
ion O2-. Hằng số mạng a c

ng hóa trị c a một

n vị ZnO chứa hai ion Zn2+ và

ộng khoảng 0.32495 – 0.32860 nm và 0.52069 –

0.5214 nm [4],[46]. Các thông số mạng c a ZnO phụ thuộc ch yếu vào các yếu tố:


C c



Nguyên tử lạ thay thế các nguyên tử chính trong mạng tinh thể, ho c

ện tử tự do tập trung dọc theo

các khuyết tật

ờng thế năn c

ểm do các nguyên tử có thể bị m t



Nhiệt ộ.



Ứng su t nội.

Học viên: VÕ MINH VƯƠNG

.

yv n

n.


Luận văn thạc sĩ Vật lý

12

Bảng 1.1: Một số thông số c a ZnO [3],[4]
Hằng số mạng (300 K)

Năn

ao

0.32495 nm

co

0.52069 nm

co/ao

1.602

ợng vùng c m

3.4 eV (ở 300 K), tới 3.437 eV (ở 4,2 K)

ợng riêng

5.606 g/cm3

Khố

1975oC

Đ ểm nóng chảy
Năn

ợng liên kết exiton

60 meV

Khố

ợng hiệu dụn

ện tử

0.24

Khố

ợng hiệu dụng lỗ trống

0.59

Độ nh ộng elctron ở 300 K

Khoảng 200 cm2/V.s

Độ nh ộng lỗ trống ở 300 K

Khoảng 5 – 50 cm2/V.s

ợc pha vào

H, Al, In, Ga, Na, Cu…

Tạp ch t có thể

Các khuyết tật

Các lỗ trống Oxi Vo
Các liên nút kẽm Zni

Hai

ct n

u n t ọng c a c u t c n y

là không có sự ối xứng trung

tâm và ở các cực bề m t. Các m t tinh thể g m có các ion Zn2+ và ion O2- sắp xếp
theo phối vị tứ diện, các m t tinh thể này sắp xếp luân phiên dọc theo trục c tạo nên

mạng tinh thể ZnO với liên kết ion mạnh. Hệ số xếp ch t c a các ion này nằm trong
khoảng 0.74. Do vậy nó chỉ chiếm khoảng 45% thể tích tinh thể và còn lại là khoảng
trốn t

n

ối rộng khoảng 0.095nm [4],[45]. Sự hình thành m t phân cực

(Zn) và phân cực
n

(O)

h

n

ện tích tạo ra, kết quả làm xu t hiện một

ng cực phân bố ng u nhiên dọc theo trục c, thực nghiệ

chứng tỏ rằng

hình thái học và sự phát triển c a tinh thể phụ thuộc vào trạng thái trạn th
ợng bề m t c a các m t phân cực này [3],[4].

Học viên: VÕ MINH VƯƠNG

n

năn


Luận văn thạc sĩ Vật lý

13

Tinh thể thực tế u n c

ch th ớc x c ịnh, do vậy tính tuần h n v

ối

xứng c a tinh thể bị phá v ngay tại bề m t c a tinh thể. Đối với những tinh thể có
ch th ớc
N

ợc lạ

lớn th x

nh v n thỏa mãn tính tuần h n v

ối với các tinh thể c

ối xứng c a nó.

ch th ớc giới hạn và r t nhỏ thì tính tuần hoàn và

ối xứng tinh thể bị vi phạm (c u trúc màng mỏng, c u t c n n …). L c n y t nh

ch t c a vật liệu phụ thuộc r t mạnh vào vai trò c a các nguyên tử bề m t. Ngoài lí do
ch th ớc, tính tuần hoàn c a tinh thể có thể bị phá v ở các dạng sai hỏng trong tinh
thể nh

:s

hỏn

ờng, sai hỏng m t, sai hỏn

ểm [3]. Trong mục này ta chỉ

khảo sát một c ch ịnh tính về loại sai hỏng quan trọng nh t trong tinh thể
hỏn

s

ểm trong vật liệu ZnO.
Quá trình tạo sai hỏng trong mạng tinh thể ZnO là quá trình giải phóng một

nguyên tử oxi, tạo thành các vị trí khuyết x (v c ncy) c
các nguyên tử kẽm xen kẽ giữa các nút mạng. N

ện tích + 1 ho c + 2 và

ời ta gọ

s

hỏng Schottky và

sai hỏng Frenkel [4],[46].
• S

hỏn Sch tt y:

bề m t có thể bốc h

thăn

hỏi tinh thể v

n nh ệt ho c va chạm, một nguyên tử ở
ể lại một vị trí trống, các nguyên tử bên

v tạo ra một nút khuyết. Năn

trong có thể nhảy vào vị trí trốn

ợn

ể tạo ra

một nút khuyết là nhỏ, c vài eV nên mật ộ nút khuyết này khá lớn.
• S

hỏn

vị trí cân bằng và dờ

n

:

thăn

n nh ệt, một nguyên tử có thể bứt ra khỏi

ến xen giữa vào vị trí các nguyên tử h c. Nh vậy hình thành

ng thời một nút khuyết và một nguyên tử xen kẽ. Năn
hỏng này là r t lớn nên mật ộ sai hỏn n y th ờng r t nhỏ [4].

Học viên: VÕ MINH VƯƠNG

ợn

ể hình thành sai


Luận văn thạc sĩ Vật lý

14

Hình 1.2: Biểu

mô tả hai dạng sai hỏng Schottky và Frenkel [4]

Nh vậy, trong tinh thể ZnO t n tại các vị trí trống oxi và các nguyên tử kẽm
xen kẽ trong tinh thể. Các khuyết tật

các tính ch t

ể

n y

ợc cho là ngu n gốc ảnh h ởn

ến

ện và quang c a ZnO.

Đ ểm khác nhau chính giữa các khuyết tật

ểm trong ion ch t rắn và trong

kim loại là việc tạo thành, t t cả các khuyết tật ều có thể
ion là các khuyết tật

n

ện. Các khuyết tật

ểm nó chiếm giữ các vị trí nguyên tử mạng, bao g m các

khoảng trống, các nguyên tử lạ thay thế nguyên tử chính trong tinh thể, nguyên tử lạ
sắp xếp vào vị trí xen kẽ các nguyên tử chính. Các khuyết tật
hình dạng trạn th

t n

trị bị kích thích lên các mức

ện tử c a tinh thể
t n năn

ợn c

ện tử là sự lệch t các

ợc tạo thành khi các electron hóa
h n. Sự kích thích có thể tạo ra

một electron trong vùng d n ho c một lỗ trống trong vùng hóa trị c a tinh thể. Trong
giới hạn về vị trí không gian c a khuyết tật, các khuyết tật có thể ịnh xứ gần các
nguyên tử t n t ờng hợ n y ch n
nguyên tử ho c có thể ch n

h n

ại diện cho sự th y ổi trạng thái ion c a
ợc ịnh xứ trong tinh thể và di chuyển tự do

trong tinh thể [4].
Một c ch h c ể th y
học, bởi vì ở

ợc việc tạo thành các khuyết tật là các phản ứng hóa

c sự cân bằng xảy ra. Các phản ứng hóa học khuyết tật ối với việc

tạo thành các khuyết tật trong ch t rắn phải tuân theo sự cân bằng về khố
Học viên: VÕ MINH VƯƠNG

ợng, vị trí


Luận văn thạc sĩ Vật lý

v

15

ện t ch. T n t ờng hợp này, chúng không giống với những phản ứng hóa học
nh th ờng, chúng chỉ tuân theo sự cân bằng khố

t

tỉ lệ vị trí giữ c c

n

n v

ợn v

ện tích. Cân bằng tại vị

n t n t nh thể phả

tăn h c giảm bớt [3],[4].

dù tổng số vị trí có thể

Các khuyết tật c a ZnO quyết ịnh ến tính ch t u n
Để c

ợc bảo toàn, m c

c tính lý – hóa tốt h n s vớ

n

nO

n

nO

ện c a màng ZnO.
ợc pha tạp với các vật

liệu khác nhau: Li, Al, Mg, Mn, Fe, Sn, Sb, Ga v Cu (trong luận văn này thực hiện
pha tạp với vật liệu Cu). V ệc h tạ Cu v

nO h n

chỉ nhằ

h ản t ốn c

ục

ch

ch Cu nằ

phân bố ều t n

n

nO

x nv

ứng

hả

h tạ th y thế
n2+ v O2- v

ợc tính ch t chuyển trạn th

ể Cu

ện trở trong

RRAM.
1.1.2. Tính chấ điện c a ZnO

ển trong kim loạ

Lý thuyết d n cổ
h

n t nh chuyển ộng c

ợc phát triển bởi Drude, dựa trên

ện tử. Đ ện trở su t

ợc tính t

h

n t nh (1.1)

[5],[10]


Ở

-3

n (c

) là n n

thời gian phục h i c a hạt tả
nO. Đạ

nh

yt n

c ờn

ộ

ợc t nh

h

n t nh (1.2) [5], ở

h

ện tử,  (s) là

ện tử h c

ện t ờng ngoài,

vf là vận tốc trôi sau cùng c a

ện t ờng.

y c thể x c ịnh u n
yt n

ện tích c

ên u n ến thời gian trung bình giữa hai lần tán xạ


T

(C)

ợng  ên u n ến sự di chuyển c

ợc t nh

ện tử v

ộ hạt tải tự

(1.1)

ện tử tự do. Thời gian phục h i c 10-15s ối với màng

ợn

liên tiếp và m là khố

m
ne 2

mv f
eE

ờng tự do trung bình giữa những va chạ

n t nh (1.3) [5]

Học viên: VÕ MINH VƯƠNG

(1.2)
nh


Luận văn thạc sĩ Vật lý

16

l  v

ợc sử dụng cho tính toán là vận tốc nhiệt, c 107 cm/s.  mô

Vận tốc hạt tả v
tả t

n t c

ữ

(1.3)

ện tử và vật liệu. H c chế c

ản kiểm soát thời gian phục h i là

sự tán xạ phonon và tán xạ khuyết. Tán xạ phonon là hàm c a nhiệt ộ, có khuynh
h ớng giảm khi nhiệt ộ giảm. Tán xạ khuyết ộc lập với nhiệt ộ. Sự phân bố về tán
ợc tổng hợp t qui luật M th ss n nh t nh

xạ c a phonon, tạp hay khuyết có thể
yt n

h

n t nh (1.4) [5].
 = phonon + tạp + khuyết

nO

ợc x

nh

n

n

(1.4)

n suy biến bao g m bán d n chứa loại hạt tải

electron (e) và lỗ trống (p). Thời gian phục h i trở thành thời gian phục h i trung bình
<>

ợc thay thế t n

t n

h

n t nh

n

h

n t nh

ện c

ợt
t

y n

ộ nh ộng c

n t c

hệ giữ

ần

ữa n n

ộ nh ộng  nh

ợc trình bày

ản (1.5) [5], [11]:
1
nen  pe p


Ở

n chứ

ợt là n n

(1.5)

ộ hạt tải và n n

ộ lỗ trống (cm-3); n, p lần

ện tử và lỗ trống (cm2 V.s). Độ nh ộn

c t n ch sự

ộ hạt tải và vật liệu thông qua sự di chuyển c a chúng. Mối liên

ộ nh ộng và thời gian phục h

t un

nh

ợc t nh

yt n

h

n

trình (1.6) [5],[11]:


với m* là khố
Khố

ợng hiệu dụng c

h i  là hằng số

h

e  
m*

ợng hiệu dụng c

Học viên: VÕ MINH VƯƠNG

ện tử.

ện tử phụ thuộc loại vật liệu. Nếu thời gian phục

n t nh (1.6) cho th y khố

nh ộng lớn h n. nO có khố

(1.6)

ợng hiệu dụng nhỏ h n sẽ ch

ợng hiệu dụng là 0.27mo.

ộ


Luận văn thạc sĩ Vật lý

17

Tán xạ hạt tải có trong vật liệu ZnO bao g m tán xạ
tử - ion nguyên tử tạp ch t (i)
(g). Ph

n t nh (1.7) thốn



ện tử - tạp trung hòa (n), và tán xạ trên biên hạt



1

i



1

a



1

g



1

(1.7)

n

Nếu một c chế tán xạ là tác nhân trộ ch
c chế tán xạ

ộ nh ộng toàn phần c
n v

t

ch

ộ nh ộng th p nh t so vớ c c c
huynh h ớng gần giá trị th p nh t và

ạo ảnh h ởn

ộ nh ộng c a hạt tải do nhiều h n
cộng sẽ th

ện

ê c c c chế tán xạ [5]
1

chế tán xạ h c th

ện tử - phonon (a)

ến tính ch t

ột c chế tán xạ

ện c a vật liệu. Nếu

y

ộ nh ộng tổng

h n những thành phần riêng.

Giá trị giới hạn ối vớ

ộ nh ộng cho tán xạ phonon trong tinh thể

n nO

pha tạp ít (n ~ 1016 cm-3) x p xỉ a = 250 cm2/V.s ở nhiệt ộ phòng [3]. Đối với d n
kim loại và bán d n, tán xạ phonon phụ thuộc vào nhiệt ộ

ộ nh ộn tăn

h

nhiệt ộ giảm.
Tán xạ tạ

nh

c chế tán xạ trội trong vật liệu ZnO. Khi màng ZnO

ợc pha tạp n ng, chúng sẽ chuyển tiế th nh
h

c

h n ch t

ct n

ại. N n

n t c nh ều h n v v thế ộ nh ộng th

hợp không suy biến

ộ nh ộng do tán xạ tạp bị

nh

tăn th

ộ tạp bị ion

h n. Đối vớ t ờng
nh ệt ộ. Ph

n

trình cho mối liên hệ ộ nh ộng t tán xạ tạp bị ion hóa, nhiệt ộ và mật ộ tạp bị
ion hóa (Ni) [5].
3

T2

i 
Ni

Ph

(1.8)

n t nh (1.8) dựa trên hàm phân bố Maxwell-Boltzmann, trong khi hàm

phân bố Fermi-Dirac sử dụn ch t ờng hợp bán d n pha tạp suy biến. Zhang và
cộng sự [50] cho rằn

ộ nh ộng do tán xạ tạp bị ion hóa gây ra, không phụ thuộc

Học viên: VÕ MINH VƯƠNG


Luận văn thạc sĩ Vật lý

18

vào nhiệt ộ khi hàm phân bố Fermi-Dir c

ợc sử dụn ch t ờng hợp bán d n suy

biến.
Tán xạ tạ t un h

thu

ợc t sự tán xạ khuyết với hạt tả . T n t ờng

hợp bán d n c chế tán xạ chỉ quan trọng ở nhiệt ộ th p khi sự ion hóa nguyên tử
tạp không xảy ra. Trái lại, tạ t un h
bán d n c

c chế tán xạ trong d n kim loại. Vật liệu

ộ tinh khiết cao khi phần lớn nguyên tố ngoạ

ợc

v

ể ion hóa và

pha tạp vật liệu. Tán xạ tạp trung hòa không phải hàm c a nhiệt ộ nh n
theo n n

ộ tạ t un h . Tăn n n

ộ tạp trung hòa, làm giả

ến thiên

ộ nh ộng.

T n t ờng hợp d n kim loại, tạp trung hòa tán xạ hạt tải bằn c ch

ứt quãng

chu kỳ c a mạng.
Tán xạ biên hạt xảy ra khi n n
giả

ộ nh ộn . Độ nh ộng c

(nd) và nhiệt ộ nh t nh

yt n

ộ khuyết lệch mạng trong vật liệu tăn
c chế này là một hàm c a mật ộ lệch mạng

h

d 

n trình (1.9) [5],[11]
1
nd T

(1.9)

1
2

1.2. Tổng quan về kim loại
Đ ng là một kim loại có

u ỏ cam, có ộ d n

ện và ộ d n nhiệt cao

(trong số các kim loại nguyên ch t ở nhiệt ộ phòng chỉ có bạc c

ộd n

h n). Đ ng có lẽ là kim loạ

c c

n ên ại khoản nă
tìm th y
loại (

87

ợc c n n

ời sử dụng sớm nh t

t ớc c n n uyên (TCN)

ng trong các loại qu n

h c nh u n

ện cao
ng có

ợc tìm th y. Ngoài việc

ời ta còn tìm th y

ng ở dạng kim

ng tự nhiên) ở mọ n . Đ ng là vật liệu d dát mỏng, d uốn, có khả năn

n

iện và d n nhiệt tốt. Đ ng thuộc nhóm IB trong bảng phân loại tuần hoàn cùng với
vàng và bạc nên có c u tạ
nằm trên phân lớ 3

c t n c a nhóm này g m phân lớ 4s c 1
ầy. Đ ện tử n

c n n y c năn

ện tử

ợng liên kết với

hạt nhân r t yếu nên d bị bứt khỏi nguyên tử và di chuyển tự do trong khối kim loại.
Đ ều này giải thích cho khả năn
Học viên: VÕ MINH VƯƠNG

n nhiệt v

ện c

ng.


Luận văn thạc sĩ Vật lý

19

ả
K h ệu h

1.2. C

ố ề i

học số h ệu

ại C

Cu, 29

Khố

ợn n uyên tử

63,546

Phân

ạ

K

ạ chuyển t ế

T t ọn

8.96 g/cc

Để

n n chảy

1356.6K

Để

s

2840K

nh n uyên tử

128pm

n

7.1cm3/mol

Thể t ch n uyên tử
n

nh cộn h

Nh ệt un
Nh ệt

1.17Ao

tị

ên -Debye

0.385 J/gmol- 315K

yh

304.6 KJ/mol
Lậ

C ut c

Độ
T ạn th

t

1.90
x h

2.1
3.610 Ao

ạn t nh thể

C n th t
Độ

n

Độ

n nh ệt

ện tử

4.65eV

ện

.596. 1 6 c Ω
4.01 W/cmK

Với tính ch t d n
tạo mạch

n t

ạn t nh thể

ện

Hằn số

h

ện và nhiệt tốt

ện trong các linh kiện

ng ứng dụng ch yếu

ện tử hay làm ống tản nhiệt. Bề m t

y

ện, chế
ng chống

n ớc và các loại vi khuẩn nên dùng làm mái nhà ho c mạ lên thân tàu biển ể bảo vệ.
I n

ng Cu2+ t n

ợc t n n ớc với n n

chống ẩm cho các sản phẩm bằng gỗ…T n
Học viên: VÕ MINH VƯƠNG

ộ nhỏ, dung dịch Cu2+ dùng làm ch t
ềt

n y

n

ợc ự chọn ể h


Luận văn thạc sĩ Vật lý

tạ v

nO

chọn ể

ch th ớc c
ện cực t ên v

n

c u tạ

20

Cu2+ ần vớ
ện cực

ản, yêu cầu th

n2+. Đ n c n

ch th ớc c

ớ t n c u t c RRAM

h n t n c c ỹ thuật lắn

ọn

ợc

có thành phần

h n

ộc, giá thành

th p, vật liệu d tìm.

(a)

(b)
Hình 1.3: C u trúc tinh thể c a Cu

a) C u trúc lậ
1.3. Ti

h

n t

t c a Cu

b) C u hình electron c a Cu

kim loại – bán dẫn.

Khi cho kim
thể c t nh chỉnh

ạ t ế x c vớ
uh c

n

n. Lớ chuyển t ế

c ( h n chỉnh

ạ-

u) t y thuộc v

ạ

ạ

sử ụn [2].
+

khi:
 C n th t c

n

n

ạ n nhỏ h n c n th t c

ạ.

 C n th t c

n

n

ạ

ạ.

h c

+

ớn h n c n th t c
:

 C n th t c
h c
Học viên: VÕ MINH VƯƠNG

n

n

ạ n ớn h n c n th t c

n

ạ.

nc
ợc


Luận văn thạc sĩ Vật lý

21

 Công th t c

n

n

ạ

nhỏ h n c n th t c

ạ.

:
Gọ
ực

v

ct n c
ạ v

h n

n

n

ức

ạ nên

ện

ịn h

n

n

ct n t

ức

c

nhau [2]. Kết uả
h n

c c

ến h

n

ạ n,

n

ức

ạ s n
ện

ức

ên. T n
n

ởh

tạ ớ chuyển t ế

n

n

n

ns n

h
ạ- n

n nằ

c
ạ

ch

ề

ề

t

n

n

ả

xuốn . Qu

h
c

n h . Kh ch

ên
n

ức

v

ều ị

ct n ịch chuyển t

n tăn

ct n t ở nên t ch

t nh n y t ế tục ch
ọ

n

n nêu t ên t ế x c vớ nh u

ạnh h n

t ở nên t ch

ạ v

n. G ả sử ở nh ệt ộ h n

ên

n ầu sẽ
c n

c n th t c

ạ v

n

n h nh th nh

t

ạ
nn y

nn n
ột

ằn

thế,

ợc

thế Sch tt y.
Mứ c chân không

EC
EF

EC
EF

EV
Bán dẫn
loại n

Kim loại

Kim loại

(a)

Bán dẫn
loại n

(b)

Hình 1.4: Các mức năng lượng của kim loại và bán dẫn loại n (
): (a) trướ c
́
̀
́
khi tiêp xúc và (b) trong trạng thái cân băng sau khi tiêp xúc

V
t n
t

h

ức năn

hố
n

ợn

ởh

n

n hạ th

h n

n

VSM, sao cho:
eVSM =

Học viên: VÕ MINH VƯƠNG

ột

ợn

ên

nh nh u nên c c
. Ch ều c

c

(1.10)

ức năn
h n

ợn
thế t nh


Luận văn thạc sĩ Vật lý

v t nh t

22

h

ạ

VMS, sao cho:

eVMS =
Ở t ạn th
ch ều n
n

c n ằn

số

(1.11)
ct n huếch t n u

ợc nh u sẽ ằn nh u. Đ

n nh n

n

h

v tuy

ạ chứa nh ều

ct n tự

h n

ạ

hả v ợt u h n

thế c

h n

ct n ên h

ct n ên h

ớ chuyển t ế th

n. Nh vậy ở t ạn th

c n ằn

h n c

n

u

ớ

chuyển t ế .

X t h ện t ợn t ế x c c
th t c

ạ nhỏ h n c n th t c

h

n

n th

h n ên h

s n

n

n

ch

ề

âm. Ở t ạn th c n ằn

ởt n

ạ v

ớ chuyển t ế

n
n

n
n (

ạ nên c c

t

ạ t ch

ức

ởh

ạ n t n t ờn hợ c n
). V

ức

ên

ct n sẽ ịch chuyển t

ện

n v

ề

t

h n n nh u

n

n t ch

v n năn

ạ
ện
ợn

ị uốn c n [2].

Mứ c chân không

EF

EC

EC

EF

EF

EF
EV
EV

Bán dẫn
loại n

Kim loại

Bán dẫn
loại n

Kim loại

(a)

(b)

Hình .1.5: Các mức năng lượng của kim loại và bán dẫn loại n (
trướ c khi tiếp xú c và (b) trong trạng thái cân bằng sau khi tiếp xú c

Học viên: VÕ MINH VƯƠNG

): (a)

Luận văn thạc sĩ Vật lý

23
Tiếp xúc ômic
ện

Dòng tuyến tính
trong tiếp xúc ômic
→ ện trở r t nhỏ

n

Rào thế
Schoottky
Đ ện thế

Tiếp xúc ômic

Hình 1.6: Đ ờn

T n

c t n I –V c a lớp tiếp xúc kim loại và bán d n [3]

ề tài nghiên cứu này, tính ch t chuyển t ạn th

RRAM do ớ

ện t ở c a c u trúc

nO h tạ Cu uyết ịnh. Trong c u t c Cu/ZnO:Cu/Cu thì lớp tiếp

xúc kim loại - bán d n thuộc loại tiếp xúc ômic. Do ZnO:Cu là bán d n loại n, công
thoát c a CZO là

, công thoát c a Cu là

: tiếp xúc ômic. Sự
c u t c RRAM

chuyển c a

nên

ện tử qua lớp tiếp xúc kim loại-bán d n t n

ợc thể h ện nh h nh 1.7

h

ện thế

ợc áp vào:

(d)

H nh 1.7: G ản

c chế

Học viên: VÕ MINH VƯƠNG

n

ện tại lớp tiếp xúc kim loại – bán d n [3].


Luận văn thạc sĩ Vật lý

1.4. C

ể

T ớc
học

h ện n y

ạ

i điệ

y vật ệu

h t h ện

ụn

24

ện

v

n

nv

vật ệu

ở

nh ều ứn

ể h t t ển

ột số

ở trong RRAM.
n

ụn t n
ạ th ết ị

ện t ở t n RRAM ự t ên sự

n h n

ện

n

h

học v

n

ện s u n y c c nh

ện h

h

ện thế v . Sự h t

ờ sốn

t n

n

ợc ứn

ớ nh RRAM…C chế chuyển t ạn th

n

ện c

vật ệu

ện

v

n

n h

ện thế vào.
C chế chuyển t ạn th

ện t ở t n c u trúc RRAM c thể h n th nh h

ạ : c chế chuyển t ạn th
t ạn th

ện t ở

Vreset>0 ho c n

ện t ở

n cực

h n

ợc lạ ) c chế n y

trúc RRAM v

ợc chứn

C n c chế chuyển t ạn th
ề

t

ợc chứn

ữ

n cực v

hụ thuộc vào sự phân cực
ả th ch sự h nh th nh sợ

ện t ở

n cực

ện áp (Vset>0;
n

ện t n c u

ả th ch sự

hụ thuộc vào sự phân cực

chuyển c

c c

ện cực nốt v vật ệu chuyển t ạn th

n

ện áp

(O2-) v h ệu

ện t ở c chế n y

nh t n c c vật ệu (Ba,Sr)TiO3, SrZrO3, SrTiO3, and (Pr,Ca)MnO3

[26],[41 . H nh 1.15 ch
chế

n cực [15 . C chế chuyển

nh t n c c vật ệu T O2, NiO, Nb2O5 [9],[23],[26 .

(Vset>0 và Vreset< ) c chế n y
ứn

n cực v

ết t nh ch t chuyển t ạn th

ện t ở t n RRAM th

n cực.

H nh 1.8: Đ ờn

c t n I-V th

Học viên: VÕ MINH VƯƠNG

( ) c chế

n cực v ( )

n cực [15].

c