Commutation résistive et batterie

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 14297 (2023) Citer cet article

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Des dispositifs à commutation résistive (RS) hautement transparents ont été fabriqués en faisant croître des couches minces de pentoxyde de tantale amorphe (a-Ta2O5) et d'oxyde d'indium et d'étain (a-ITO) sur des substrats en verre de baryum-borosilicate (7059), en utilisant l'évaporation par faisceau d'électrons. Ces couches présentaient une transmission supérieure à ~ 85 % dans toute la région visible et présentaient un comportement RS et des caractéristiques IV de type batterie. Les caractéristiques globales du RS peuvent être ajustées à l’aide de l’électrode supérieure et de l’épaisseur de l’a-Ta2O5. Les films plus minces présentaient un comportement RS conventionnel, tandis que les films plus épais comportant des électrodes métalliques présentaient une caractéristique semblable à celle d'une batterie, ce qui pourrait s'expliquer par des réactions redox supplémentaires et des effets capacitifs non faradiques. Les appareils ayant des caractéristiques IV similaires à celles d'une batterie présentaient un courant amélioré, de rétention et de faible fonctionnement plus élevé.

Les dispositifs à commutation résistive (RS) transparents ont attiré une attention scientifique significative pour le développement de circuits invisibles, de dispositifs électroniques à très faible consommation, de capteurs et d'électronique transparente1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. Les recherches actuelles sur les oxydes conducteurs transparents (TCO) nécessitent un équilibre délicat entre une conductivité électrique élevée et une transparence optique dans le spectre visible. De plus, il est nécessaire d'intégrer d'autres éléments de circuits sur TCO qui peuvent exécuter d'autres fonctionnalités de traitement et de stockage d'informations. En particulier, le dispositif RS à deux bornes promet de surmonter les limitations fondamentales de la complexité des circuits, de l'évolutivité et de la consommation d'énergie8,11,12,13,14,15. Dans un dispositif RS typique, la résistance change entre des états de faible et de haute résistance de manière réversible et non volatile sous l'application de champs et de courants électriques. En outre, le RS multiniveau peut également avoir des états résistifs intermédiaires (IRS) qui peuvent être stabilisés dans un seul dispositif en utilisant la tension, le courant de conformité et la température, ce qui pourrait jouer un rôle central pour le stockage haute densité16,17,18,19. ,20,21,22. Un autre comportement connexe est le type memristif, où la valeur de la résistance est continuellement modifiée en fonction de l'historique de la tension et du courant appliqués, ce qui peut imiter l'état du cerveau, dans lequel les connexions électriques entre deux neurones deviennent plus fortes à chaque fois que la connexion est adressée. 24,25,26,27. Les caractéristiques de commutation memristive et multiniveau sont essentielles au développement de l’informatique neuromorphique. En effet, les mêmes dispositifs RS à deux bornes (en géométrie de condensateur) peuvent également être exploités pour fournir de l'énergie localement, également appelés nanobatteries28,29 pour augmenter la portabilité et l'efficacité. Les oxydes métalliques hautement diélectriques tels que l'oxyde de hafnium (a-HfOx), l'oxyde de tantale (a-TaxOy) et l'oxyde d'yttrium (a-Y2O3) pourraient être des matériaux très prometteurs pour le développement d'une mémoire à accès aléatoire transparente-résistive (T -RRAM) et des dispositifs memristifs, pouvant être cultivés à basse température22,30,31,32,33,34,35,36. Les oxydes de tantale (a-Ta2O5) développés par diverses méthodes de dépôt physique en phase vapeur sont très prometteurs car des films transparents hautement isolants peuvent être développés à des températures plus basses. Par conséquent, il serait intéressant d'élucider le rôle de l'épaisseur du film, du matériau de l'électrode, du chauffage Joule et de savoir si un oxyde conducteur transparent comme l'oxyde d'indium et d'étain (ITO) peut être intégré efficacement à l'oxyde de tantale pour la T-RRAM ou les memristors transparents. Ici, nous avons constaté qu'un régime d'épaisseur intermédiaire présentait un nouveau type de caractéristiques IV de type batterie avec une endurance, une rétention et un courant de fuite extrêmement faibles, ce qui est important pour les dispositifs à faible consommation. Nous proposons qu'un effet capacitif non faradique (NFC) pourrait être responsable de ce comportement. Le champ interne opposé aide à limiter le courant de fuite et à améliorer la puissance de fonctionnement de ces appareils. Cette étude ouvre la possibilité d'incorporer les concepts de nanobatteries dans les memristors et les dispositifs RS à base de Ta2O5, et pose d'autres questions liées aux mécanismes sous-jacents du NFC.