ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗИСТИВНОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПРОЗРАЧНЫХ МЕМРИСТИВНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ОКСИДА ЦИНКА ДЛЯ МАШИННОГО ЗРЕНИЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
DOI:
https://doi.org/10.18522/2311-3103-2026-1-%25pКлючевые слова:
Наноматериалы, тонкие пленки ZnO, ВЧ магнетронное распыление, структурные свойства, нейроморфные системы, машинное зрение, прозрачный мемристор, резистивное переключениеАннотация
Развитие нейроморфных систем машинного зрения для робототехнических комплексов требует создания прозрачных мемристивных структур, сочетающих оптическую прозрачность, стабильное биполярное резистивное переключение и совместимость с технологией кроссбар-массивов. Ключевой проблемой является установление закономерностей влияния режимов осаждения тонких пленок ZnO на их структурные и электрофизические свойства, которые определяют характеристики мемристивных структур. Целью работы являлось определение оптимальной мощности ВЧ магнетронного распыления керамической мишени ZnO, обеспечивающей формирование прозрачных мемристивных структур ITO/ZnO/ITO со стабильным резистивным переключением, и создание на их основе кроссбар-массива. Тонкие пленки ZnO осаждались методом ВЧ магнетронного распыления при мощности от 25 до 100 Вт. Проведены структурные (РЭМ, АСМ) и электрофизические (эффект Холла) исследования полученных пленок ZnO. Изготовлены методами магнетронного распыления и литографии прозрачные мемристивные структуры ITO/ZnO/ITO и кроссбар-массив из 16 структур с размером ячеек 2000×2000 нм на стеклянных подложках, а также измерены их вольтамперные характеристики. Показано, что возрастание мощности магнетронного распыления от 25 до 100 Вт приводит к увеличению размера зерен от 12,8 до 35,7 нм и шероховатости поверхности пленок ZnO от 2,8 до 11,4 нм. Получено, что при мощности распыления 75 Вт концентрация носителей заряда в пленках ZnO имеет максимальное значение 2,7·1015 см-3, что необходимо для стабильного резистивного переключения структуры. Показано, что полученные мемристивные структуры ITO/ZnO/ITO проявляют стабильное биполярное переключение в течение 1000 циклов между состояниями HRS = 537,4 ± 26,7 Ом и LRS = 291,4 ± 38,5 Ом (отношение HRS/LRS ~1,8). Изготовленный прозрачный кроссбар-массив показал стабильное резистивное переключение в течение 20000 циклов (LRS = 13,8 ± 1,4 кОм, HRS = 34,8 ± 2,6 кОм, отношение HRS/LRS ~2,5). Полученные результаты могут быть использованы при разработке технологических процессов изготовления прозрачных мемристивных кроссбаров для нейроморфных структур машинного зрения робототехнических систем
Библиографические ссылки
1. Jing Yang, Lingxiang Hu, Liufeng Shen, Jingrui Wang, Peihong Cheng, Huanming Lu, Fei Zhuge, Zhizhen Ye. Optically driven intelligent computing with ZnO memristor, Fundamental Research, 2024, Vol. 4, pp. 158-166.
2. Usman Bature Isyaku, Mohd Haris Bin Md Khir, I. Md Nawi, M.A. Zakariya, Furqan Zahoor. ZnO Based Resistive Random Access Memory Device: A Prospective Multifunctional Next-Generation Memory, IEEE Access, 2021, Vol. 9, pp. 105012.
3. P. Praveen, T. Priya Rose, K.J. Saji. Top electrode dependent resistive switching in M/ZnO/ITO memristors, M = Al, ITO, Cu, and Au, Microelectronics Journal, 2022, Vol. 121, pp. 105388.
4. Saenko A.V., Tominov R.V., Jityaev I.L., Vakulov Z.E., Avilov V.I., Polupanov N.V., Smirnov V.A. Transparent Zinc Oxide Memristor Structures: Magnetron Sputtering of Thin Films, Resistive Switching Investigation, and Crossbar Array Fabrication, Nanomaterials, 2024, Vol. 14, pp. 1901.
5. Cristian L. Teran, Jorge A. Calderon, Heiddy P. Quiroz, A. Dussan. Optical properties and bipolar resistive switching of ZnO thin films deposited via DC magnetron sputtering, Chinese Journal of Phys-ics, 2021, Vol. 74, pp. 1-8.
6. Chander Prakash, Lovi Raj Gupta, Amrinder Mehta, Hitesh Vasudev, Roman Tominov, Ekaterina Korman, Alexander Fedotov, Vladimir Smirnov, Kavindra Kumar Kesari. Computing of neuromorphic materials: an emerging approach for bioengineering solutions, Materials Advances, 2023, Vol. 4,
pp. 5882-5919.
7. Yuxin Shi, Yanna Zhang, Guoqiang Li. Recent progress in transparent memristors, Journal of Physics D: Applied Physics, 2023, Vol. 56, pp. 313001.
8. Huiling Zhang, Ruping Liu, Huiqing Zhao, Zhicheng Sun, Zilong Liu, Liang He, Ye Li. Research Pro-gress of Biomimetic Memristor Flexible Synapse, Coatings, 2022, Vol. 12, pp. 21.
9. Ping-Xing Chen, Debashis Panda, Tseung-Yuen Tseng. All oxide based flexible multi-folded invisible synapse as vision photoreceptor, Scientifc Reports, 2023, Vol. 13, pp. 1454.
10. Raveendra Kiran M., Hidayath Ulla, Satyanarayan M.N., Umesh G. Effects of annealing temperature on the resistance switching behaviour of solution-processed ZnO thin films, Superlattices and Micro-structures, 2020, Vol. 148, 106718.
11. Asutosh Patnaik, Srikant Kumar Mohanty, Narayan Sahoo, Debashis Panda. Effect of oxygen concen-tration in ZnO-based transparent flexible memristor synapse, Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2023, Vol. 34, pp. 1406.
12. Hongxia Li, Wei Dong, Xin Wu, Junhua Xi, Zhenguo Ji. Resistive switching characteristics of ZnO/a-TiO2 bilayer film fabricated on PET/ITO transparent and flexible substrates, Materials Research Bulletin, 2016, Vol. 84, pp. 449-454.
13. Tominov R.V., Vakulov Z.E., Avilov V.I., Shikhovtsov I.A., Varganov V.I., Kazantsev V.B., Lovi Raj Gup-ta, Chander Prakash, Smirnov V.A. Approaches for Memristive Structures Using Scratching Probe Nanolithography: Towards Neuromorphic Applications, Nanomaterials, 2023, Vol. 13, pp. 1583.
14. Abduev A.Kh., Akhmedov A.K., Asvarov A.Sh., Muslimov A.E., Kanevsky V.M. ZnO-based transparent conductive layers obtained by the magnetron sputtering of a composite cermet ZnO:Ga–Zn target:
part 2, Journal of Surface Investigation. X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 2021, Vol. 15, pp. 121-127.
15. Sobia Ali Khan, Geun Ho Lee, Chandreswar Mahata, Muhammad Ismail, Hyungjin Kim, Sungjun Kim. Bipolar and Complementary Resistive Switching Characteristics and Neuromorphic System Simulation in a Pt/ZnO/TiN Synaptic Device, Nanomaterials, 2021, Vol. 11, pp. 315.
16. Kavindra Kandpal, Jitendra Singh, Navneet Gupta, Chandra Shekhar. Effect of thickness on the prop-erties of ZnO thin films prepared by reactive RF sputtering, Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2018, Vol. 29, pp. 14501-14507.
17. Zhiqiang Yu, Jinhao Jia, Xinru Qu, Qingcheng Wang, Wenbo Kang, Baosheng Liu, Qingquan Xiao, Tinghong Gao, Quan Xie. Tunable Resistive Switching Behaviors and Mechanism of the W/ZnO/ITO Memory Cell // Molecules. – 2023. – Vol. 28. – P. 5313.
18. Paulina Kaim, Krzysztof Lukaszkowicz, Marek Szindler, Magdalena M. Szindler, Marcin Basiaga, Barbara Hajduk. The influence of magnetron sputtering process temperature on ZnO thin-film proper-ties, Coatings, 2021, Vol. 11, pp. 1507.
19. Ziyu Lv, Yan Wang, Jingrui Chen, Junjie Wang, Ye Zhou, Su-Ting Han. Semiconductor Quantum Dots for Memories and Neuromorphic Computing Systems, Chemical Reviews Journal, 2020, Vol. 120,
pp. 3941-4006.
20. Ziyu Lv, Shirui Zhu, Yan Wang, Yanyun Ren, Mingtao Luo, Hanning Wang, Guohua Zhang, Yongbiao Zhai, Shilong Zhao, Ye Zhou, Minghao Jiang, Yan-Bing Leng, Su-Ting Han. Development of Bio-Voltage Operated Humidity-Sensory Neurons Comprising Self-Assembled Peptide Memristors, Ad-vanced Materials, 2024, Vol. 36, pp. 2405145.
21. Tominov R.V., Vakulov Z. E., Polupanov N.V., Saenko A.V., Avilov V.I., Ageev O.A., Smirnov V.A. Na-noscale-resistive switching in forming-free zinc oxide memristive structures, Nanomaterials, 2022, Vol. 12, pp. 455.
22. Saenko A.V., Vakulov Z.E., Klimin V.S., Bilyk G.E., Malyukov S.P. Effect of Magnetron Sputtering Pow-er on ITO Film Deposition at Room Temperature, Russian Microelectronics, 2023, Vol. 23,
pp. 297-302.
23. Serb A., Bill J., Khiat A., Berdan R., Legenstein R., Prodromakis T. Unsupervised learning in probabilis-tic neural networks with multi-state metal-oxide memristive synapses, Nature communications, 2016, Vol. 7, pp. 12611.
