RESEARCH OF RESISTIVE SWITCHING EFFECT IN FORMING FREE TITANIUM OXIDE NANOSTRUCTURES
Keywords:
Nanotechnology, scanning probe microscopy, local anodic oxidation, titanium oxide nanoscale structures, effect of resistive switching
Abstract
Electrode material influence on the effect of resistive switching in Ti/TiO2/upper electrode structure was investigated. It was shown, that using Pt as the top contact reduces the power consumption of the Ti/TiO2/upper electrode structure by 54.71 times compared to TiN, and reduces the power consumption by 63.66 times compared to C. The dependence of the titanium oxide nanoscale structures resistance on the number of switching at a single point, and the dependence of resistance on the number of points on the titanium oxide nanoscale structures surface are plotted. Analysis of the obtained results showed that for all materials of the top contact, when studying the effect of resistive switching at different points compared to the study at the single point, the HRS confidence interval increased by 9.87 %, in LRS by 40.08 % for Pt, HRS confidence interval increased by 27.67 %, LRS by 30.43% for TiN, HRS confidence interval increased by 19.04 %, LRS by 46.65 % for C. An array of 16 resistive memory elements based on titanium oxide nanoscale structures was fabricated and investigated. The switching currents ISET = 20 nA, the voltage USET = + 2.13 ± 0.15 V, and the voltage URES = ‑2.93 ± 0.47 V are determined. The dependence of the memory element resistance on the switching number, and the dependence of the resistance on the element number are plotted. HRS was shown to be 10.28 ± 1.84 GΩ, LRS ‑ 0.06 ± 0.02 GΩ. The HRS/LRS ratio of the manufactured resistive memory elements was 171. The obtained results can be used in the development of technological processes for the formation of resistive memory elements using probe nanotechnologies.
References
1. Xiao Liang Hong, Desmond Jia Jun Loy, Putu And hit Dananjaya, Funan Tan, Chee Mang Ng, and Wen Siang Lew Oxide-based RRAM materials for neuromorphic computing // Journal of Materials Science. 2018. 53. – p. 8720-8746.
2. Mohammed A. Zidan, John Paul Strachan and Wei D. Lu The future of electronics based on memristive systems // Nature Electronics. 2018. V. 1. – p. 22-29.
3. An Chen A review of emerging non-volatile memory (NVM) technologies and Applications // Solid-State Electronics. 2016, 125. – p. 25-38.
4. Смирнов В.А., Томинов Р.В., Авилов В.И., Алябьева Н.И., Вакулов З.Е., Замбург Е.Г., Хахулин Д.А., Агеев О.А. Исследование мемристорного эффекта в нанокристаллических пленках ZnO // Физика и техника полупроводников. 2019. Т. 53. № 1. – c. 77-82.
5. Tominov R.V., Zamburg E.G., Khakhulin D.A., Klimin V.S., Smirnov V.A., Chu Y.H., Ageev O.A. Investigation of resistive switching of ZnxTiyHfzOi nanocomposite for rram elements manufacturing // Journal of Physics: Conference Series. 2017. Т. 917.– p. 032023.
6. Khakhulin D.A., Vakulov Z.E., Smirnov V.A., Tominov R.V., Yoon J.G., Ageev O.A. Resistive switching in ZnO/ZnO:In nanocomposite // Journal of Physics: Conference Series. 2017. Т. 917. – p. 092008.
7. Ильина М.В., Ильин О.И., Блинов Ю.Ф., Смирнов В.А., Агеев О.А. Неравномерная упругая деформация и мемристорный эффект в ориентированных углеродных нанотрубках // Журнал технической физики. 2018. Т. 88, № 11. – с. 1726-1733.
8. Ageev O.A., Blinov Y.F., Ilina M.V., Ilin O.I., Smirnov V.A. Modeling and experimental study of resistive switching in vertically aligned carbon nanotubes // Journal of Physics: Conference Series. 2016. Т. 741, № 1. – p. 012168.
9. Il'ina M.V., Il'in O.I., Blinov Y.F., Smirnov V.A., Kolomiytsev A.S., Fedotov A.A., Konoplev B.G., Ageev O.A. Memristive switching mechanism of vertically aligned carbon nanotubes // Carbon. 2017. Т. 123. – p. 514-524.
10. Ageev O.A., Ilin O.I., Rubashkina M.V., Smirnov V.A., Fedotov A.A., Tsukanova O.G. Determination of the electrical resistivity of vertically aligned carbon nanotubes by scanning probe microscopy // Technical Physics. 2015. Т. 60, № 7. – p. 1044-1050.
11. Ageev O.A., Blinov Y.F., Il'ina M.V., Konoplev B.G., Smirnov V.A. Resistive switching of vertically aligned carbon nanotubes for advanced nanoelectronic devices // In book: Intelligent Nanomaterials: Second Edition. 2016. – p. 361-394.
12. Ageev O.A., Konoplev B.G., Rubashkina M.V., Rukomoikin A.V., Smirnov V.A., Solodovnik M.S. Studying the effect of geometric parameters of oriented GaAs nanowhiskers on Youngs modulus using atomic force microscopy // Nanotechnologies in Russia. 2013. Т. 8. № 1-2. – p. 23-28.
13. Агеев О.А. Смирнов В.А., Солодовник М.С., Рукомойкин А.В., Авилов В.И. Исследование режимов формирования оксидных наноразмерных структур арсенида галлия методом локального анодного окисления // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2012. – № 2(94). – с. 43-50.
14. Avilov V.I., Polupanov N.V., Tominov R.V., Smirnov V.A., Ageev O.A. Scanning probe nanolithography of resistive memory element based on titanium oxide memristor structures // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. – p. 012001.
15. Смирнов В.А. Нанолитография элементов наноэлектроники на основе оксида титана // Известия ЮФУ. Технические науки. 2016. № 10 (183). –c. 27-40.
16. Смирнов В.А. Применение зондовой нанолитографии для формирования элементов наноэлектроники методом локального анодного окисления пленки титана // Известия ЮФУ. Технические науки. 2014. № 9 (158). – c. 15-24.
17. Smirnov V.A. Nanolithography by local anodic oxidation of thin titanium film // In book: Piezoelectrics and Nanomaterials: Fundamentals, Developments and Applications. 2015. – p. 85-103.
18. Авилов В.И., Агеев О.А., Коломийцев А.С., Коноплев Б.Г., Смирнов В.А., Цуканова О.Г. Формирование и исследование матрицы мемристоров на основе оксида титана методами зондовой нанотехнологии // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2014. № 2(106). – c. 50-57.
19. Томинов Р.В., Смирнов В.А., Черненко Н.Е., Агеев О.А. Исследование режимов силовой зондовой нанолитографии // Российские нанотехнологии. 2017. Т. 12, № 11-12. – с. 69-75.
20. Смирнов В.А., Агеев О.А. Нанолитография методом локального анодного окисления полупроводников и металлов // Известия ЮФУ. Технические науки, 2005. – Т. 53. № 9. – с. 61.
21. Авилов В.И., Агеев О.А., Смирнов В.А., Солодовник М.С., Цуканова О.Г. Исследование режимов наноразмерного профилирования поверхности эпитаксиальных структур арсенида галлия методом локального анодного окисления // Российские нанотехнологии. 2015. Т. 10. № 3-4. – c. 42-46.
22. Агеев О.А., Коноплев Б.Г., Поляков В.В., Светличный А.М., Смирнов В.А. Исследование режимов фотонностимулированной зондовой нанолитографии методом локального анодного окисления пленки титана // Нано- и микросистемная техника. 2008. №1(90). – с. 14–16.
23. Avilov V.I., Ageev O.A., Konoplev B.G., Smirnov V.A., Solodovnik M.S., Tsukanova O.G. Study of the phase composition of nanostructures produced by the local anodic oxidation of titanium films // Semiconductors. 2016. Т. 50. № 5. – p. 601-606.
24. Ageev O.A., Alyab'eva N.I., Konoplev B.G., Polyakov V.V., Smirnov V.A. Photoactivation of the processes of formation of nanostructures by local anodic oxidation of a titanium film // Semiconductors. 2010. Т. 44. № 13. – p. 1703-1708
25. Агеев О.А., Поляков В.В., Смирнов В.А., Коломийцев А.С. Исследование влияния режимов фотонной стимуляции на процессы нанолитографии методом локального анодного окисления // Известия ЮФУ. Технические науки, 2006. – Т. 64. № 9-1. – c. 117
26. Авилов В.И., Агеев О.А., Блинов Ю.Ф., Коноплев Б.Г., Поляков В.В., Смирнов В.А., Цуканова О.Г. Моделирование процесса формирования оксидных наноразмерных структур методом локального анодного окисления поверхности металла // Журнал технической физики. 2015. Т. 85. № 5. – c. 88-93.
27. Агеев О.А., Смирнов В.А., Солодовник М.С., Авилов В.И. Исследование режимов локального анодного окисления эпитаксиальных структур арсенида галлия // Известия ЮФУ. Технические науки. 2011. – № 4(117). – с. 8-13.
28. Агеев О.А., Смирнов В.А., Коломийцев А.С., Громов А.Л. Применение метода фокусированных ионных пучков для модификации зондовых датчиков атомно-силовых микроскопов // Известия ЮФУ. Технические науки. 2011. № 4 (117). – c. 166-171.
29. Коноплев Б.Г., Агеев О.А., Смирнов В.А., Коломийцев А.С., Ильин О.И. Модификация зондовых датчиков-кантилеверов для атомно-силовой микроскопии методом фокусированных ионных пучков // Нано- и микросистемная техника. 2011. № 4. – c. 4-8.
30. Полякова В.В., Коц И.Н., Смирнов В.А., Агеев О.А. НАНОРАЗМЕРНОЕ Профилирование поверхности кремния методом локального анодного окисления // Микроэлектроника. 2019. Т. 48. № 2. – с. 90-96.
31. Быков А.В., Коломийцев А.С., Полякова В.В., Смирнов В.А. Профилирование зондов для сканирующей зондовой нанодиагностики методом фокусированных ионных пучков // Известия ЮФУ. Технические науки. 2014. № 9 (158). – c. 133-140.
32. Polyakova V.V., Smirnov V.A., Ageev O.A. A study of nanoscale profiling modes of a silicon surface via local anodic oxidation // Nanotechnologies in Russia. 2018. Т. 13, № 1-2. – p. 84-89.
33. Shandyba N.A., Panchenko I.V., Tominov R.V., Smirnov V.A., Pelipenko M.I., Zamburg E.G., Chu Y.H. Size effect on memristive properties of nanocrystalline ZnO film for resistive synaptic devices // Journal of Physics: Conference Series. 2018. – p. 081036.
34. Авилов В.И., Смирнов В.А., Шарапов Н.А. Размерный эффект в мемристорных наноструктурах на основе оксида титана для создания элементов систем искусственного интеллекта и синаптроники // Известия ЮФУ. Технические науки. 2018. № 2 (196). – c. 34-46.
2. Mohammed A. Zidan, John Paul Strachan and Wei D. Lu The future of electronics based on memristive systems // Nature Electronics. 2018. V. 1. – p. 22-29.
3. An Chen A review of emerging non-volatile memory (NVM) technologies and Applications // Solid-State Electronics. 2016, 125. – p. 25-38.
4. Смирнов В.А., Томинов Р.В., Авилов В.И., Алябьева Н.И., Вакулов З.Е., Замбург Е.Г., Хахулин Д.А., Агеев О.А. Исследование мемристорного эффекта в нанокристаллических пленках ZnO // Физика и техника полупроводников. 2019. Т. 53. № 1. – c. 77-82.
5. Tominov R.V., Zamburg E.G., Khakhulin D.A., Klimin V.S., Smirnov V.A., Chu Y.H., Ageev O.A. Investigation of resistive switching of ZnxTiyHfzOi nanocomposite for rram elements manufacturing // Journal of Physics: Conference Series. 2017. Т. 917.– p. 032023.
6. Khakhulin D.A., Vakulov Z.E., Smirnov V.A., Tominov R.V., Yoon J.G., Ageev O.A. Resistive switching in ZnO/ZnO:In nanocomposite // Journal of Physics: Conference Series. 2017. Т. 917. – p. 092008.
7. Ильина М.В., Ильин О.И., Блинов Ю.Ф., Смирнов В.А., Агеев О.А. Неравномерная упругая деформация и мемристорный эффект в ориентированных углеродных нанотрубках // Журнал технической физики. 2018. Т. 88, № 11. – с. 1726-1733.
8. Ageev O.A., Blinov Y.F., Ilina M.V., Ilin O.I., Smirnov V.A. Modeling and experimental study of resistive switching in vertically aligned carbon nanotubes // Journal of Physics: Conference Series. 2016. Т. 741, № 1. – p. 012168.
9. Il'ina M.V., Il'in O.I., Blinov Y.F., Smirnov V.A., Kolomiytsev A.S., Fedotov A.A., Konoplev B.G., Ageev O.A. Memristive switching mechanism of vertically aligned carbon nanotubes // Carbon. 2017. Т. 123. – p. 514-524.
10. Ageev O.A., Ilin O.I., Rubashkina M.V., Smirnov V.A., Fedotov A.A., Tsukanova O.G. Determination of the electrical resistivity of vertically aligned carbon nanotubes by scanning probe microscopy // Technical Physics. 2015. Т. 60, № 7. – p. 1044-1050.
11. Ageev O.A., Blinov Y.F., Il'ina M.V., Konoplev B.G., Smirnov V.A. Resistive switching of vertically aligned carbon nanotubes for advanced nanoelectronic devices // In book: Intelligent Nanomaterials: Second Edition. 2016. – p. 361-394.
12. Ageev O.A., Konoplev B.G., Rubashkina M.V., Rukomoikin A.V., Smirnov V.A., Solodovnik M.S. Studying the effect of geometric parameters of oriented GaAs nanowhiskers on Youngs modulus using atomic force microscopy // Nanotechnologies in Russia. 2013. Т. 8. № 1-2. – p. 23-28.
13. Агеев О.А. Смирнов В.А., Солодовник М.С., Рукомойкин А.В., Авилов В.И. Исследование режимов формирования оксидных наноразмерных структур арсенида галлия методом локального анодного окисления // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2012. – № 2(94). – с. 43-50.
14. Avilov V.I., Polupanov N.V., Tominov R.V., Smirnov V.A., Ageev O.A. Scanning probe nanolithography of resistive memory element based on titanium oxide memristor structures // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. – p. 012001.
15. Смирнов В.А. Нанолитография элементов наноэлектроники на основе оксида титана // Известия ЮФУ. Технические науки. 2016. № 10 (183). –c. 27-40.
16. Смирнов В.А. Применение зондовой нанолитографии для формирования элементов наноэлектроники методом локального анодного окисления пленки титана // Известия ЮФУ. Технические науки. 2014. № 9 (158). – c. 15-24.
17. Smirnov V.A. Nanolithography by local anodic oxidation of thin titanium film // In book: Piezoelectrics and Nanomaterials: Fundamentals, Developments and Applications. 2015. – p. 85-103.
18. Авилов В.И., Агеев О.А., Коломийцев А.С., Коноплев Б.Г., Смирнов В.А., Цуканова О.Г. Формирование и исследование матрицы мемристоров на основе оксида титана методами зондовой нанотехнологии // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2014. № 2(106). – c. 50-57.
19. Томинов Р.В., Смирнов В.А., Черненко Н.Е., Агеев О.А. Исследование режимов силовой зондовой нанолитографии // Российские нанотехнологии. 2017. Т. 12, № 11-12. – с. 69-75.
20. Смирнов В.А., Агеев О.А. Нанолитография методом локального анодного окисления полупроводников и металлов // Известия ЮФУ. Технические науки, 2005. – Т. 53. № 9. – с. 61.
21. Авилов В.И., Агеев О.А., Смирнов В.А., Солодовник М.С., Цуканова О.Г. Исследование режимов наноразмерного профилирования поверхности эпитаксиальных структур арсенида галлия методом локального анодного окисления // Российские нанотехнологии. 2015. Т. 10. № 3-4. – c. 42-46.
22. Агеев О.А., Коноплев Б.Г., Поляков В.В., Светличный А.М., Смирнов В.А. Исследование режимов фотонностимулированной зондовой нанолитографии методом локального анодного окисления пленки титана // Нано- и микросистемная техника. 2008. №1(90). – с. 14–16.
23. Avilov V.I., Ageev O.A., Konoplev B.G., Smirnov V.A., Solodovnik M.S., Tsukanova O.G. Study of the phase composition of nanostructures produced by the local anodic oxidation of titanium films // Semiconductors. 2016. Т. 50. № 5. – p. 601-606.
24. Ageev O.A., Alyab'eva N.I., Konoplev B.G., Polyakov V.V., Smirnov V.A. Photoactivation of the processes of formation of nanostructures by local anodic oxidation of a titanium film // Semiconductors. 2010. Т. 44. № 13. – p. 1703-1708
25. Агеев О.А., Поляков В.В., Смирнов В.А., Коломийцев А.С. Исследование влияния режимов фотонной стимуляции на процессы нанолитографии методом локального анодного окисления // Известия ЮФУ. Технические науки, 2006. – Т. 64. № 9-1. – c. 117
26. Авилов В.И., Агеев О.А., Блинов Ю.Ф., Коноплев Б.Г., Поляков В.В., Смирнов В.А., Цуканова О.Г. Моделирование процесса формирования оксидных наноразмерных структур методом локального анодного окисления поверхности металла // Журнал технической физики. 2015. Т. 85. № 5. – c. 88-93.
27. Агеев О.А., Смирнов В.А., Солодовник М.С., Авилов В.И. Исследование режимов локального анодного окисления эпитаксиальных структур арсенида галлия // Известия ЮФУ. Технические науки. 2011. – № 4(117). – с. 8-13.
28. Агеев О.А., Смирнов В.А., Коломийцев А.С., Громов А.Л. Применение метода фокусированных ионных пучков для модификации зондовых датчиков атомно-силовых микроскопов // Известия ЮФУ. Технические науки. 2011. № 4 (117). – c. 166-171.
29. Коноплев Б.Г., Агеев О.А., Смирнов В.А., Коломийцев А.С., Ильин О.И. Модификация зондовых датчиков-кантилеверов для атомно-силовой микроскопии методом фокусированных ионных пучков // Нано- и микросистемная техника. 2011. № 4. – c. 4-8.
30. Полякова В.В., Коц И.Н., Смирнов В.А., Агеев О.А. НАНОРАЗМЕРНОЕ Профилирование поверхности кремния методом локального анодного окисления // Микроэлектроника. 2019. Т. 48. № 2. – с. 90-96.
31. Быков А.В., Коломийцев А.С., Полякова В.В., Смирнов В.А. Профилирование зондов для сканирующей зондовой нанодиагностики методом фокусированных ионных пучков // Известия ЮФУ. Технические науки. 2014. № 9 (158). – c. 133-140.
32. Polyakova V.V., Smirnov V.A., Ageev O.A. A study of nanoscale profiling modes of a silicon surface via local anodic oxidation // Nanotechnologies in Russia. 2018. Т. 13, № 1-2. – p. 84-89.
33. Shandyba N.A., Panchenko I.V., Tominov R.V., Smirnov V.A., Pelipenko M.I., Zamburg E.G., Chu Y.H. Size effect on memristive properties of nanocrystalline ZnO film for resistive synaptic devices // Journal of Physics: Conference Series. 2018. – p. 081036.
34. Авилов В.И., Смирнов В.А., Шарапов Н.А. Размерный эффект в мемристорных наноструктурах на основе оксида титана для создания элементов систем искусственного интеллекта и синаптроники // Известия ЮФУ. Технические науки. 2018. № 2 (196). – c. 34-46.
Published
2019-07-13
Issue
Section
SECTION IV. NANOTECHNOLOGIES AND MATERIAL SCIENCE
