BiFeO3/C/Ag薄膜的電阻開關特性研究

梁丹丹 陳鵬

摘要：利用磁控濺射的方法在單晶p型Si（100）片上生長BiFeO3/C/Ag薄膜，研究器件的阻變特性. 實驗結果表明，隨著退火溫度的升高，器件顯示出越來越明顯的電阻開關效應.

關鍵詞：BiFeO3；電阻開關；特性

鐵酸鉍（BiFeO3）是多鐵材料研究的熱點之一，并且在BiFeO3薄膜中已經觀察到電阻開關行為. 石墨（C）制品具備優良的性能，應用日益廣泛. 本文研究了BiFeO3/C/Ag薄膜中退火溫度對電阻開關特性的影響.

1 樣品制備及測量

鐵酸鉍和石墨靶材（純度均為99.99%）是直接購買于公司. 在室溫下，采用直流磁控濺射的方法在p型硅（100）單晶襯底上濺射230 nm的銀（Ag）薄膜作為下電極，用同樣的方法再濺射200 nm的石墨（C）薄膜. 然后在石墨薄膜的基礎上，用射頻磁控濺射的方法生長200 nm的鐵酸鉍（BiFeO3）薄膜，沉積的背景真空度為4.4×10-4 Pa，濺射功率為88 W，氬氣氣壓為1 Pa，基片與靶材的距離為8 cm. 將樣品放置在不同溫度（TA = 100℃，200℃和300℃）的真空條件下退火1小時. 最后在樣品的頂部沉積厚度為100 nm，直徑為0.1 mm的圓形銀電極用于進行各種電數據的測量. BiFeO3/C/Ag薄膜的I-V曲線通過美國Keithley公司生產的2400測試，用兩個探針將樣品的上下兩個銀電極分別連接起來，接入到2400儀器上，再將2400儀器與電腦連接在一起即可進行數據測量. 圖1（a）為BiFeO3/C/Ag薄膜樣品的結構圖及測量示意圖.

2 結果與討論

圖1（b）是由掃描電子顯微鏡（SEM）掃描樣品橫截面的圖像，由圖可知，BiFeO3薄膜的厚度為200 nm，石墨層的厚度為200 nm，并且各薄膜層的界面清晰可見. 圖2（a）是通過直流電壓掃描測量樣品的I-V曲線，圖2（b）是I-V曲線的對數圖. 在I-V曲線的測量中，所加偏壓的掃描順序為0V→1V→-1V→0V，掃描速度為0.1 V/s，為避免擊穿器件，限流1 mA. 圖2顯示了樣品在不同退火溫度下的電阻開關特性，從圖中可以看出，樣品剛開始處于高阻態，隨著電壓的增加，器件由高阻態轉變為低阻態，這一過程稱為“set”過程. 當掃描電壓反向時，器件從低阻態轉變為高阻態，這一過程稱為“reset”過程. 從圖2（a）中可看出，樣品的電流隨著退火溫度的升高而變大，并且隨著退火溫度的增加，樣品的電阻開關特性越來越明顯. 這應該是由于樣品在真空條件較高溫度下退火時，在耗盡層中形成越來越多的氧空位，氧空位的增加會導致電阻開關效應的增強.

3 結論

本文利用高真空磁控濺射系統在單晶p型Si片上生長了BiFeO3/C/Ag薄膜，研究了器件的電阻開關特性. 實驗結果表明，樣品的電流隨著退火溫度的升高而變大，并且隨著退火溫度的升高，器件表現出越來越明顯的電阻開關效應. 這種材料很可能會應用于下一代非易失性存儲器.

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