Fabricación, caracterización y modelado de films delgados con propiedades memristivas - Ferreyra, Cristian Daniel (2021)
Esta tesis presenta un estudio experimental-teórico que incluye la fabricación, caracterización y modelado de dispositivos de memoria resistiva basados en films delgados de óxidos simples y complejos de metales de transición. El tema central de este trabajo está focalizado en la conmutación resistiva (en inglés Resistive Switching (RS)), efecto que consiste en cambios no volátiles de la resistencia eléctrica ante la aplicación de estímulos eléctricos en sistemas metal/aislante/metal (MIM). La investigación se centró en los sistemas: TiOx/La1/3Ca2/3MnO3−x, Pt/Ta2O5−x/TaOx/Pt y los dispositivos con propiedades ferroeléctricas Pt/PZT/Pt y SrRuO3//BaTiO3/SrRuO3. El crecimiento de films delgados de óxidos se realizó mediante la técnica de depósito por láser pulsado (Pulsed Laser Deposition, o PLD), mientras que los electrodos metálicos se elaboraron utilizando técnicas de microfabricación. El trabajo de fabricación implicó una cuidadosa optimización de los parámetros de depósito del óxido aislante, la elección de los electrodos adecuados y de la geometría final del dispositivo. Complementariamente al trabajo experimental, se estudió teóricamente el comportamiento eléctrico observado adaptando el modelo VEOV (Voltage Enhanced Oxygen Vacancy) a los distintos sistemas estudiados experimentalmente, con el objetivo de modelar y comprender la dinámica de vacancias de oxígeno (OV por sus siglas en inglés) asociada al comportamiento memristivo de los dispositivos. Adicionalmente, el modelo VEOV se extendió a la geometría 2D, lo que permitió simular la respuesta memristiva ante la presencia de defectos puntuales y extendidos. A partir del estudio del sistema con interfaz mixta TiOx/La1/3Ca2/3MnO3−x, se pudo mostrar que a través de un adecuado protocolo de estímulo externo es posible controlar el proceso de oxidación-reducción que se da en cada uno de los óxidos que conforman la interfaz y sintonizar estados multinivel de resistencia. Se simuló la dinámica de vacancias en esta interfaz mixta, reproduciendo exitosamente el comportamiento eléctrico observado, luego de incluir efectos electrónicos relacionados con la presencia de una juntura tipo p-n en la misma. En el caso de los dispositivos basados en TaOx, fue posible activar/desactivar selectivamente dos interfaces memristivas complementarias controlando el proceso de electroformado y la simetría de las rampas de tensión. El modelado permitió determinar que el origen físico del comportamiento eléctrico se basa en la electromigración de las OV entre tres zonas nanoscópicas diferentes: una central y dos interfaces cuasi-simétricas. Para el estudio de memristores ferroeléctricos se propuso que el cambio de resistencia en interfaces metal/ferroeléctrico se basa en la competencia de dos efectos que modulan la altura de las barreras Schottky: uno atribuible a la polarización ferroeléctrica y otro asociado a la electromigración de OV. Incorporando estos ingredientes al modelo VEOV se reprodujeron características no triviales de la respuesta eléctrica, la dinámica de OV y efectos volátiles o de relajación de la resistencia. Durante el desarrollo de esta tesis se han realizado importantes avances en la interpretación de los procesos de RS, a partir de la información obtenida de numerosas técnicas de caracterización eléctrica, microscópicas y espectroscópicas, así como también mediante el modelado de la respuesta eléctrica, el cual ha sido fundamental para la consecución de estos objetivos. En cada sistema estudiado se alcanzó un notable control de las propiedades memristivas a través del desarrollo de protocolos de estímulo eléctrico adecuados. Finalmente, cabe mencionar que se han obtenido dispositivos con potencial tecnológico, como memorias multiestado o sistemas basados en óxidos ferroeléctricos que combinan cambios de resistencia no volátiles y volátiles, lo que es interesante para el desarrollo de sistemas neuromórficos que combinen en un dispositivo simple el comportamiento eléctrico de sinapsis y neuronas.