Commutazione resistiva e batteria

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 14297 (2023) Citare questo articolo

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Dispositivi a commutazione resistiva (RS) altamente trasparenti sono stati fabbricati facendo crescere film sottili di pentossido di tantalio amorfo (a-Ta2O5) e ossido di indio-stagno (a-ITO) su substrati di vetro borosilicato di bario (7059), utilizzando l'evaporazione con fascio di elettroni. Questi strati mostravano una trasmittanza maggiore di circa l'85% nell'intera regione visibile e mostravano un comportamento RS e caratteristiche IV simili a quelle di una batteria. Le caratteristiche complessive di RS possono essere regolate utilizzando l'elettrodo superiore e lo spessore di a-Ta2O5. I film più sottili hanno mostrato un comportamento RS convenzionale, mentre i film più spessi con elettrodi metallici hanno mostrato una caratteristica simile a quella di una batteria, che potrebbe essere spiegata da ulteriori reazioni redox ed effetti capacitivi non faradaici. I dispositivi con caratteristiche IV simili a batterie hanno mostrato una corrente potenziata, di ritenzione e di funzionamento più elevata.

I dispositivi trasparenti a commutazione resistiva (RS) hanno attirato una notevole attenzione scientifica per lo sviluppo di circuiti invisibili, dispositivi elettronici a bassissimo consumo, sensori ed elettronica trasparente1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. La ricerca attuale sugli ossidi conduttori trasparenti (TCO) richiede un delicato equilibrio tra elevata conduttività elettrica e trasparenza ottica nello spettro visibile. Inoltre, è necessario incorporare altri elementi circuitali nel TCO in grado di eseguire altre funzionalità di elaborazione e archiviazione delle informazioni. In particolare, il dispositivo RS a due terminali promette di superare i limiti fondamentali della complessità del circuito, della scalabilità e del consumo energetico8,11,12,13,14,15. In un tipico dispositivo RS, la resistenza viene modificata tra lo stato basso e quello alto resistivo in modo reversibile e non volatile sotto l'applicazione di campi e correnti elettriche. Inoltre, l'RS multilivello può anche avere stati resistivi intermedi (IRS) che possono essere stabilizzati in un singolo dispositivo utilizzando tensione, corrente di conformità e temperatura, che potrebbero svolgere un ruolo fondamentale per lo storage ad alta densità16,17,18,19 ,20,21,22. Un altro comportamento correlato è di tipo memristivo, in cui il valore della resistenza viene continuamente modificato con la storia della tensione e della corrente applicate che può imitare la condizione nel cervello, in cui le connessioni elettriche tra due neuroni diventano più forti ogni volta che la connessione viene affrontata21,23, 24,25,26,27. Sia le caratteristiche memristive che quelle di commutazione multilivello sono essenziali per lo sviluppo del calcolo neuromorfico. In effetti, gli stessi dispositivi RS a due terminali (nella geometria del condensatore) possono anche essere sfruttati per fornire energia localmente, chiamati anche nanobatterie28,29 per aumentare la portabilità e l'efficienza. Ossidi metallici ad alto dielettrico come l'ossido di afnio (a-HfOx), l'ossido di tantalio (a-TaxOy) e l'ossido di ittrio (a-Y2O3) potrebbero essere materiali molto promettenti per lo sviluppo di memorie ad accesso casuale resistivo trasparente (T -RRAM) e dispositivi memristivi, che possono essere coltivati ​​a bassa temperatura22,30,31,32,33,34,35,36. Gli ossidi di tantalio (a-Ta2O5) coltivati ​​mediante vari metodi di deposizione fisica da vapore sono molto promettenti poiché è possibile coltivare pellicole trasparenti altamente isolanti a temperature più basse. Pertanto, sarebbe interessante chiarire il ruolo dello spessore del film, del materiale dell'elettrodo, del riscaldamento di Joule e se l'ossido conduttore trasparente come l'ossido di indio-stagno (ITO) possa essere integrato efficacemente con l'ossido di tantalio per T-RRAM o memristor trasparenti. In questo caso, abbiamo scoperto che alcuni regimi di spessore intermedio mostravano un nuovo tipo di caratteristiche IV simili a quelle di una batteria con maggiore resistenza, ritenzione e corrente di dispersione estremamente bassa, importante per i dispositivi a bassa potenza. Proponiamo che un effetto capacitivo non faradaico (NFC) potrebbe essere responsabile di questo comportamento. Il campo interno opposto aiuta a limitare la corrente di dispersione e a migliorare la potenza operativa in questi dispositivi. Questo studio apre l'opportunità di incorporare i concetti di nanobatterie nei memristor e nei dispositivi RS basati su Ta2O5 e pone ulteriori domande relative ai meccanismi sottostanti dell'NFC.