مقاله سوییچینگ الکتریکی حافظه ای در نیمه رساناهای آمورف P2O5 - V2O5 - Na2O - Cuo

بخشی از مقاله

چکیده

مشخصههای I-V فیلم های دمشی در دماهای گوناگون مطالعه شده است. نتایج به دست آمده آشکارا بیان میدارند که شیشههای تحت مطالعه رفتار کنترلشونده با دما و سوییچینگ حافظه ای را بروز میدهند. مشخص گردید که ولتاژ سوییچینگ با افزایش دما، کاهش مییابد. وابستگی ترکیبی ولتاژ سوییچینگ نیز بدین صورت است که با افزایش غلظت وانادیم, کاهش مییابد. نتایج بهدست آمده بر اساس تشکیل کانال های رسانای کریستالی توصیف شدهاند.

مقدمه

شیشههای چالکوجناید از ویژگی های الکتریکی جالب توجهی از جمله سوییچینگ الکتریکی برخوردار هستند .[1] پدیده سوییچینگ که در سال 1968 توسط اوشینسکی گزارش شد، بر پایه انتقال کریستال-شیشه است .[2] سوییچینگ اساسا به انتقال برگشت پذیر بین حالت کریستالی و آمورف مربوط میشود که توسط میدان الکتریکی یا نور یا هر دوی آن ها القا شده باشد .[3] در واقع سوییچینگ انتقال از حالت OFF - عایق - به رسانا ON در میدانهای نزدیک به 105 V/cm است .[4] پدیده سوییچینگ می تواند با جریان یا با ولتاژ کنترل شود و همچنین بازگشتپذیر یا بازگشتناپذیر باشد .

[5] عموما عقیده بر آن است که سوییچینگ اساسا فرایندی الکتریکی است [4]، .[5] سوییچینگ الکتریکی هنگامی آغاز می شود که حامل های باری که حالت های نقص دار شبکه را اشغال کردهاند، توسط میدان الکتریکی برانگیخته می شود .[6] دو نوع سوییچینگ الکتریکی متفاوت در شیشه های چالکوجناید گزارش شده است: آستانه ای و حافظه ای. در حالت سوییچینگ آستانه ای حالت ON، تنها تا زمانی دوام دارد و عبور جریان تا زمانی ادامه می یابد که به یک ولتاژ نگه دارنده خاص برسیم؛ در حالی که در سوییچینگ از نوع حافظه ای حالت ON دوام دارد تا اینکه یک پالس جریان مناسب در امتداد نمونه اعمال شود .

[7] ولتاژ dc که در آن انتقال بازگشت پذیر کریستال-آمورف صورت میگیرد، ولتاژ آستانه، Vt، خوانده میشود. این ولتاژ به عوامل گوناگونی از جمله ضخامت، دما و علی الخصوص ترکیب نمونه وابسته است. هر چند گزارشهایی از استقلال پدیده سوییچینگ از ضخامت نمونه وجود دارد .[8] در حالت سوییچینگ حافظه ای ولتاژ آستانه با دما به صورت نمایی کاهش خواهد داشت .[4] مشخصههای جریان-ولتاژ مواد به دو گروه تقسیم می شود: مقاومت منفی نوع N و نوع .S نوع N به مقاومت منفی کنترل شونده با ولتاژ VCNR معروف است و مقاومت منفی نوعS، به کنترل شونده با جریان [6] CCNR، .[7] مقاومت منفی بدین معنی است که تحت شرایط خاصی با افزایش ولتاژ جریان افزایش مییابد.

در CCNR ، حالت OFF، با مقاومت بالا و حالت ON، با مقاومت پایین است. نمونههای جدید با فرمول 40P2O 5 40 x V 2O5 و x به روش سرمایش سریع مذاب ساخته شد. با توسل به آنالیز پراش اشعه X، XRD، صحت آمورف بودن نمونه ها آزموده شد. رفتار نمونه ها تحت ولتاژهای بالا بررسی گردید و پس از رسم نمودار I-V در دماهای گوناگون و تخمین Vt نوع مکانیسم معین شد و تشریح گردید.

روند آزمایشگاهی

شیشههای جدید با ترکیب OuCx    40P2O5      40  x V 2O5    20Na2O ، % x 5, 15, 25, 35mol با استفاده از روش سرمایش سریع ماده مذاب در آزمایشگاه ساخته شد. بدین منظور از واکنشگرهایپایه NH 4 H 2 PO4 ، CuOو V 2O5 ساخت شرکت مرک آلمان، با خلوص 99% و Na2CO3 با خلوص %99 وساخت شرکت دکتر مجللی استفاده شد. NH 4 H 2 PO4 در ابتدا ساییده شد. پس از توزین با ترازوی با دقت 0.1 mg ، واکنشگرهای اولیه با هم مخلوط شدند و حسابی به هم زده شدند تا مخلوط در حد توان یکنواخت گردد. پس از آن مخلوط پودری داخل بوته از جنس چینی ریخته شد و به کوره الکتریکی بادمای ثابت    0      منتقل گردید. در مرحله بعد بوته حاوی مخلوط پودری به مدت 1 ساعت در این دما نگاه داشته شد تا واکنش های اولیه مورد نیاز برای خروج گازهای    NH 3 ،    CO2  و H 2O از بوته انجام شود.     

سپس دمای کوره به    0    افزایش یافت وبوته 1ساعت نیز در 400 C  این دما نگاه داشته شد؛ بدین منظور که واکنش های فوقالذکر به طور کامل انجام شود. پس از آن دمای کوره تا نقطه ذوب هر نمونه، با آهنگ ملایم، افزایش یافت. به نمونه ها فرصت داده شد تا یک ساعت نیز در دمای ذوب، درون کوره بمانند. در این اثنا نمونههای مذاب بیش از پنج مرتبه با لوله هم زن از جنس آلومینا هم زده شد.

برای تهیه نمونههای به فرم فیلم دمشی با ضخامت 10-20 ʽm از لولههای آلومینا با قطر داخلی 0.6 mm استفاده شد. اما برای تهیه نمونه های به فرم کپه ای، ماده مذاب درون کوره0 ثانوی با دمای 300C ، در قالبی از جنس فولاد قالب ریزی شد و دو ساعت نیز نمونه در این کوره با دمای ثابت پخت شد. آنالیز XRD روی نمونه های کپه ای که به دقت پولیش شده بود، انجام شد. برای مطالعه رفتار I-V از یک منبع تغذیه 10 kV با بیشینه جریان 2/5 mA استفاده شد. پدیده سوییچینگ روی نمونه های از نوع فیلم دمشی آزمایش شد. از الکترودهای مسی در مدار استفاده گردید.

نتایج و بحث

در مواد شیشهای، اسپکتروسکپی اشعه X برای تائید طبیعت آمورف مواد به کار گرفته می شود.مشخصه اصلی کریستال ها حضور پیک های بسیار تیز و واضح در زوایای خاص است. اگر هیچ کریستالی یافت نشود، نمونه شیشه خواهد بود. شکل1 الگوهای پراش اشعه X را برای تمام نمونهها نمایش میدهد. حضور یک شبه کوژ پهن در تمام الگوها به مثابه مشخصه فاز آمورف نمونهها است. اعمال میدان الکتریکیای که به اندازه کافی بزرگ باشد، دیر یا زود سبب اعوجاج و انحراف از خطی بودن در نمودار I-V می گردد.

از چنین تخطی هایی با عنوان رفتار غیراهمی یاد می شود. شکل2 مشخصه جریان-ولتاژ نمونهها را در دمای اتاق نمایش میدهد. میتوان رفتار غیر اهمی را در تمام نمونهها مشاهده کرد. از شکل2 چنین برمیآید که نمونهها در ولتاژهای اعمالی پایین رفتار اهمی را از خود بروز میدهند که ناحیه با مقاومت بالا OFF است. در میدان آستانه، Et، که متناسب با ولتاژ بحرانی آستانه است، نمونه ها مقاومت منفی کنترل شونده با جریان، CCNR، را نشان می دهد که به حالت ON با مقاومت پایین می انجامد. ناحیه CD در شکل2 به ناحیه مقاومت منفی معروف است که در واقع ناحیه انتقال از حالت باز به بسته است. در ناحیه DA نمونه سوییچ شده است و معرف حالت بسته در نمونه ها می باشد. در شکل2 مشخص است که حتی پس از آن که ولتاژ به صفر کاهش یابد نمونه ها در حالت با مقاومت پایین باقی می ماند که این امر مشخصه سوییچینگ حافظهای است.

جدول1 ولتاژ آستانه را برای نمونه ها در سه دمای آزمایشی نشان میدهد. میدانیم که پیوندهای ساختاری ضعیف، همبستگی ضعیف شبکه و پیوندهای ناپل بندی، بخت وقوع سوییچینگ حافظه ای را در شیشههای چالکوجناید افزایش می دهد. به نظر میرسد که در شیشههای فسفات حاوی وانادیم، طبیعت پیوندهای وانادیم و ساختارهای محلی آن نقش اصلی در سوییچینگ حافظهای و بستگی ولتاژ سوییچزنی به ترکیب را بر عهده دارد .[6] برای بررسی پدیده CCNR حافظهای راههای گوناگونی پیشنهاد می شود.

مدل گرمایی یک راه مناسب برای برای توصیف این پدیده است. بر اساس مدل گرمایی حالت رسانای با مقاومت پایین معلول تشکیل کانال های کریستالی با رسانایی بالا، بین دو الکترود، است. به بیان دقیق تر گرمای ژول باعث میشود که ناحیه ساندویچشده میان دوالکترود به نقطه ذوب برسد، آنگاه گرما به ناگهان به محیط شیشه ای پیرامونی پس داده می شود که باعث تشکیل کانال های فوق العاده رسانا می گردد. اگر این فرایند در وقوع پدیده سوپپچینگ غالب باشد، منطقا با افزایش دمای نمونه، بازآرایی مولکولی و تشکیل کانال های رسانا تسهیل می گردد و نتیجتا vt کاهش می یابد.